Сжигание и пиролиз твердых бытовых отходов

Опыт показывает, что для крупных городов с населением более 0,5 млн. жителей целесообразнее всего использовать термические методы обезвреживания ТБО.

Термические методы переработки и утилизации ТБО можно подразделить на три способа:

-слоевое сжигание исходных (неподготовленных) отходов в мусоросжигательных котлоагрегатах (МСК);

-слоевое или камерное сжигание специально подготовленных отходов (освобожденных от балластных фракций) в энергетических котлах совместно с природным топливом или в цементных печах;

-пиролиз отходов, прошедших предварительную подготовку или без нее.

Несмотря на разнородность состава твердых бытовых отходов, их можно рассматривать как низкосортное топливо (тонна отходов дает при сжигании 1.000-1.200 ккал тепла). Термическая переработка ТБО не только их обезвреживает, но и позволяет получать тепловую и электрическую энергию, а также извлекать имеющийся в них черный металлолом. При сжигании отходов процесс можно полностью автоматизировать, следовательно, и резко сократить обслуживающий персонал, сведя его обязанности до чисто управленческих функций. Это особенно важно, если учесть, что персоналу приходится иметь дело с таким антисанитарным материалом, как ТБО.

Слоевое сжигание ТБО в котлоагрегатах . При данном способе обезвреживания сжигаются все поступающие на завод отходы без какой-либо предварительной подготовки или обработки. Метод слоевого сжигания исходных отходов наиболее распространен и изучен. Однако при сжигании выделяется большое количество загрязняющих веществ, поэтому все современные мусоросжигательные заводы оборудованы высокоэффективными устройствами для улавливания твердых и газообразных загрязняющих веществ, стоимость их достигает 30% кап. затрат на строительство МСЗ.

Первая мусоросжигательная установка общей производительностью 9 т/ч введена в эксплуатацию в Москве в 1972 году. Она предназначалась для сжигания остатков после компостирования на мусороперерабатывающем заводе. Мусоросжигательный цех находился в одном здании с остальными цехами завода, который в связи с несовершенством технологического процесса и получаемого компоста, а также из-за отсутствия потребителя на этот продукт в 1985 году был закрыт.

Первый отечественный мусоросжигательный завод был построен в Москве (спецзавод №2). Режим работы завода - круглосуточный, без выходных дней. Тепло, получаемое от сжигания отходов, используется в городской системе теплоснабжения.

В 1973 году предприятие «ЧКД-Дукла» (ЧСФР) приобрело у фирмы «Дойче - Бабкок» (ФРГ) лицензию на изготовление МСК с валковой колосниковой решеткой. По внешнеторговым связям котлы, выпускаемые этим предприятием, приобретены для ряда городов нашей страны.

В 1984 году введен в эксплуатацию в Москве самый крупный отечественный мусоросжигательный спец. завод № 3. Производительность каждого из четырех его агрегатов составляет 12,5т сжигаемых отходов в час. Отличительная особенность агрегата - дожигательный барабан, установленный за каскадом наклоннопереталкивающих колосниковых решеток.

Опыт эксплуатации отечественных заводов позволил выявить ряд недостатков, влияющих на надежность работы основного технологического оборудования и на состояние окружающей среды. Для устранения обнаруженных недостатков необходимо:

-обеспечить раздельный сбор золы и шлака;

-предусмотреть установку резервных транспортеров для удаления золошлаковых отходов;

-повысить степень извлечения лома черных металлов из шлака;

-обеспечить очистку извлеченного металлолома от золошлаковых загрязнений;

-предусмотреть дополнительное оборудование для пакетирования извлеченного лома черных металлов;

-разработать, изготовить и установить технологическую линию по подготовке шлака для вторичного использования;

-установить дробилку для крупногабаритных отходов.

Удешевление сжигания ТБО.

Снижение затрат на транспортировку отходов диктуют необходимость строительства двух мусоросжигательных заводов производительностью по 200 тыс. т отходов в год. Это наиболее рациональный вариант.

Следует рассмотреть возможность создания безотходного производства с использованием шлака и золы для дорожного строительства и стройиндустрии, обеспечив при этом извлечение остатков черного и цветного металлолома. Необходимо также предусмотреть в схеме завода двухступенчатую систему очистки выбросов, отвечающую самым жестким нормативам и требованиям. Аппараты очистки от летучей золы должны иметь эффективность не ниже 99%. Химическая очистка от газообразных загрязняющих веществ должна улавливать такие выбросы, как S02, NO2, HCI и HF. Конструкция котлоагрегата должна обеспечивать полное дожигание органических и полиароматических веществ, образующихся в процессе горения отходов.

Проблема полного уничтожения или частичной утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) - бытового мусора - актуальна, прежде всего, с точки зрения отрицательного воздействия на окружающую среду. Твердые бытовые отходы - это богатый источник вторичных ресурсов (в том числе черных, цветных, редких и рассеянных металлов), а также - "бесплатный" энергоноситель, так как бытовой мусор - возобновляемое углеродсодержащее энергетическое сырье для топливной энергетики.

Однако для любого города и населенного пункта проблема удаления или обезвреживания твердых бытовых отходов всегда является в первую очередь проблемой экологической. Весьма важно, чтобы процессы утилизации бытовых отходов не нарушали экологическую безопасность города, нормальное функционирование городского хозяйства с точки зрения общественной санитарии и гигиены, а также условия жизни населения в целом.

Как известно, подавляющая масса ТБО в мире пока складируется на мусорных свалках, стихийных или специально организованных в виде "мусорных полигонов". Однако это самый неэффективный способ борьбы с ТБО, так как мусорные свалки, занимающие огромные территории часто плодородных земель и характеризующиеся высокой концентрацией углеродсодержащих материалов (бумага, полиэтилен, пластик, дерево, резина), часто горят, загрязняя окружающую среду отходящими газами. Кроме того, мусорные свалки являются источником загрязнения как поверхностных, так и подземных вод за счет дренажа свалок атмосферными осадками.

Например, в Москве ежегодно образуется 10 млн. т промышленных и бытовых отходов, которые вывозятся на специализированные свалки. Таких свалок в Подмосковье свыше 50, каждая площадью от 3 до 10 га. В целом в России под мусорные свалки отчуждено 0,8 млн. га земель, среди которых не только пустыри, овраги и карьеры, но и плодородные черноземы.

Зарубежный опыт показывает, что рациональная организация переработки ТБО дает возможность использовать до 90% продуктов утилизации в строительной индустрии, например в качестве заполнителя бетона. По данным специализированных фирм, осуществляющих в настоящее время даже малоперспективные технологии прямого сжигания твердых бытовых отходов, реализация термических методов при сжигании 1000 кг ТБО позволит получить тепловую энергию , эквивалентную сжиганию 250 кг мазута. Однако реальная экономия будет еще больше, поскольку не учитывают сам факт сохранения первичного сырья и затраты на добычу его, т. е. нефти и получения из нее мазута.

Кроме того, в развитых странах существует законодательное ограничение на содержание в 1 м3 выбрасываемого в атмосферу дымового газа не более 0,1х10-9 г двуокиси азота и фуранов при сжигании отходов. Эти ограничения диктуют необходимость поисков технологических путей обеззараживания ТБО с наименьшим отрицательным влиянием на окружающую среду, особенно мусорных свалок.

Следовательно, депонирование бытового мусора в открытых свалках крайне отрицательно влияет на окружающую среду и как следствие - на человека. В настоящее время существует ряд способов хранения и переработки твердых бытовых отходов , а именно:

1. предварительная сортировка ;

2. санитарная земляная засыпка ;

3. сжигание ;

4. биотермическое компостирование ;

5. низкотемпературный пиролиз ;

6. высокотемпературный пиролиз.

Предварительная сортировка. Этот технологический процесс предусматривает разделение твердых бытовых отходов на фракции на мусороперерабатывающих заводах вручную или с помощью автоматизированных конвейеров. Сюда входит процесс уменьшения размеров мусорных компонентов путем их измельчения и просеивания, а также извлечение более или менее крупных металлических предметов, например консервных банок. Отбор их как наиболее ценного вторичного сырья предшествует дальнейшей утилизации ТБО (например, сжиганию). Поскольку сортировка ТБО - одна из составных частей утилизации мусора, то имеются специальные заводы для решения этой задачи, т. е. выделения из мусора фракций различных веществ: металлов, пластмасс, стекла, костей, бумаги и других материалов с целью дальнейшей их раздельной переработки.

Санитарная земляная засыпка. Такой технологический подход к обезвреживанию твердых бытовых отходов связан с получением биогаза и последующим использованием его в качестве топлива. С этой целью бытовой мусор засыпают по определенной технологии слоем грунта толщиной 0,6-0,8 м в уплотненном виде. Биогазовые полигоны снабжены вентиляционными трубами, газодувками и емкостями для сбора биогаза.

Наличие в толщах мусора на свалках пористости и органических компонентов создаст предпосылки для активного развития микробиологических процессов. Толщу свалки условно можно разделить на несколько зон (аэробную, переходную и анаэробную), различающихся характером микробиологических процессов. В самом верхнем слое, аэробном (до 1-1,5 м), бытовой мусор благодаря микробному окислению постепенно минерализуется до двуокиси углерода, воды, нитратов, сульфатов и ряда других простых соединений. В переходной зоне происходит восстановление нитратов и нитритов до газообразного азота и его оксидов, т. е. процесс денитрификации. Наибольший объем занимает нижняя анаэробная зона , в которой интенсивные микробиологические процессы протекают при малом (ниже 2%) содержании кислорода. В этих условиях образуются самые различные газы и летучие органические вещества. Однако центральным процессом этой зоны является образование метана. Постоянно поддерживающая здесь температура (30-40° С) становится оптимальной для развития метанообразующих бактерий.

Таким образом, свалки представляют собой наиболее крупные системы по производству биогаза из всех современных. Например, 1 га свалки в Подмосковье выделяет такое количество метана, как (2…4)х103 га дерново-подзолистой почвы.

Учитывая, что 1 т бытовых отходов выделяет не менее 100 м3 биогаза, можно определить потенциальные возможности свалок как энергетического источника. Использование биогаза возможно как минимум через 5-10 лет после создания свалки, а его рентабельность проявляется при объемах мусора более 1 млн. т.

В процессе сжигания биогаза происходит разрушение содержащихся в свалочных газах токсичных компонентов, обеспечивающее безопасные для окружающей среды выбросы.

Надо отметить, что грунтовые и поверхностные воды, протекающие через земляную засыпку, захватывают растворенные и суспензированные твердые вещества и продукты биологического разложения, поэтому растворы выщелачивания ТБО представлены богатой по вещественному составу ассоциацией химических элементов и соединений. Например, для них характерна величина (мг/л рН=6,0-6,5) и присутствуют карбонат: жесткий раствор (, щелочной раствор (); Ca (); Mg (64-410), Na (85-1700); K (28-1700); Fe (0,5-8,7); хлориды (96-2350); сульфаты (84-730); фосфаты (0,3 29); N: органического происхождения (2,4-465), аммонийного происхождения (0,22-480).

Можно предположить, что и в перспективе роль мусорных свалок заметно не уменьшится, поэтому извлечение биогаза из них с целью его полезного использования будет оставаться актуальным. Однако возможно и существенное сокращение мусорных свалок за счет максимально возможного вторичного использования бытовых отходов путем селективного сбора составляющих его компонентов - макулатуры, стекла, металлов и т. д.

Сжигание - это широко распространенный способ уничтожения твердых бытовых отходов, который широко применяется с конца XIX в.

Сложность непосредственной утилизации ТБО обусловлена, с одной стороны, их исключительной многокомпонентностью, с другой - повышенными санитарными требованиями к процессу их переработки. В связи с этим сжигание до сих пор остается наиболее распространенным способом первичной обработки бытовых отходов.

Сжигание бытового мусора, помимо снижения объема и массы, позволяет получать дополнительные энергетические ресурсы, которые могут быть использованы для централизованного отопления и производства электроэнергии. К числу недостатков этого способа относится выделение в атмосферу вредных веществ, а также уничтожение ценных органических и других компонентов, содержащихся в составе бытового мусора.

При сжигании ТБО получают 28-44% золы от сухой массы и газообразные продукты в виде двуокиси углерода, паров воды, различных примесей. Запыленность отходящих газов составляет 5-10 г/нм3 (25- 50 кг/т ТБО). Так как процесс горения отходов происходит при температуре 800-900°С, то в отходящих газах присутствуют органическое соединения - альдегиды, фенолы, хлорорганические соединения (диоксин, фуран), а также соединения тяжелых металлов.

Теплотворная способность бытовых отходов примерно соответствует бурому углю. В среднем теплотворная способность бытовых отходов колеблется от 1000 до 3000 ккал/кг. Выявлено также, что по теплотворной способности 10,5 г твердых бытовых отходов эквивалентны 1т нефти; по калорийности бытовые отходы уступают каменному углю всего в 2 раза; примерно 5т мусора выделяет при сгорании столько же тепла, сколько 2 т угля или 1 т жидкого топлива.

Сжигание можно разделить на два вида:

непосредственное сжигание, при котором получается только тепло и энергия; пиролиз, при котором образуется жидкое и газообразное топливо.

В настоящее время уровень сжигания бытовых отходов в отдельных странах различен. Из общих объемов бытового мусора доля сжигания колеблется в таких странах, как Австрия, Италия, Франция, Германия, от 20 до 40%; Бельгия, Швеция - 48-50%; Япония - 70%; Дания, Швейцария - 80%; Англия и США - 10%. В нашей стране сжиганию подвергаются пока лишь около 2% бытового мусора, а в Москве - около 10%.

Для повышения экологической безопасности необходимым условием при сжигании мусора является соблюдение ряда принципов. К основным из них относятся температура сжигания, которая зависит от вида сжигаемых веществ; продолжительность высокотемпературного сжигания, зависящая также от вида сжигаемых отходов; создание турбулентных воздушных потоков для полноты сжигания отходов.

Различие отходов по источникам образования и физико-химическим свойствам предопределяет многообразие технических средств и оборудования для сжигания.

В последние годы ведутся исследования по совершенствованию процессов сжигания, что связано с изменением состава бытовых отходов, ужесточением экологических норм. К модернизированным способам сжигания отходов можно отнести замену воздуха, подаваемого к месту сжигания отходов для ускорения процесса, на кислород. Это позволяет снизить объем горючих отходов, изменить их состав, получить стеклообразный шлак и полностью исключить фильтрационную пыль, подлежащую подземному складированию. Сюда же относится и способ сжигания мусора в псевдоожиженном слое. При этом достигается высокая полнота сгорания при минимуме вредных веществ.

По зарубежным данным, сжигание мусора целесообразно применять в городах с населением не менее 15 тыс. жителей при производительности печи около 100 т/сут. Из каждой тонны отходов можно выработать около 300-400 кВт-ч электроэнергии.

В настоящее время топливо из бытовых отходов получают в измельченном состоянии в виде гранул и брикетов . Предпочтение отдается гранулированному топливу, так как сжигание измельченного топлива сопровождается большим пылевыносом, а использование брикетов создает трудности при загрузке в печь и поддержании устойчивого горения. Кроме того, при сжигании гранулированного топлива намного выше КПД котла.

Мусоросжигание обеспечивает минимальное содержание в шлаке и золе разложимых веществ, однако оно является источником выбросов в атмосферу. Мусоросжигательными заводами (МСЗ) выбрасываются в газообразном виде хлористый и фтористый водород , сернистый газ, диоксин, а также твердые частицы различных металлов: свинца, цинка, железа, марганца, сурьмы, кобальта, меди, никеля, серебра, кадмия, хрома, олова, ртути и др.

Установлено, что содержание кадмия, свинца, цинка и олова в копоти и пыли, выделяющихся при сжигании твердых горючих отходов изменяется пропорционально содержанию в мусоре пластмассовых отходов. Выбросы ртути обусловлены присутствием в отходах термометров, сухих гальванических элементов и люминесцентных ламп. Наибольшее количество кадмия содержится в синтетических материалах, а также в стекле, коже, резине. Исследованиями США выявлено, что при прямом сжигании твердых бытовых отходов большая часть сурьмы, кобальта, ртути, никеля и некоторых других металлов поступает в отходящие газы из негорючих компонентов, т. е. удаление негорючей фракции из бытовых отходов понижает концентрацию в атмосфере этих металлов. Источниками загрязнения атмосферы кадмием, хромом, свинцом, марганцем, оловом, цинком являются в равной степени как горючая, так и негорючая фракции твердых бытовых отходов. Существенное уменьшение загрязнения атмосферного воздуха кадмием и медью возможно за счет отделения из горючей фракции полимерных материалов.

Таким образом, можно констатировать, что главным направлением в сокращении выделения вредных веществ в окружающую среду является сортировка или раздельный сбор бытовых отходов.

В последнее время все более распространяется метод совместного сжигания твердых бытовых отходов и шламов сточных вод. Этим достигается отсутствие неприятного запаха, использование тепла от сжигания отходов для сушки осадков сточных вод.

Надо отметить, что технология ТБО развивалась в период, когда не были еще ужесточены нормы выброса газовой составляющей. Однако сейчас стоимость газоочистки на мусоросжигательных заводах резко возросла. Все мусоросжигательные предприятия являются убыточными. В этой связи разрабатываются такие способы переработки бытовых отходов, которые позволили бы утилизировать и вторично использовать ценные компоненты, содержащиеся в них.

Биотермическое компостирование . Этот способ утилизации твердых бытовых отходов основан на естественных, но ускоренных реакциях трансформации мусора при доступе кислорода в виде горячего воздуха при температуре порядка 60°С. Биомасса ТБО в результате данных реакций в биотермической установке (барабане) превращается в компост. Однако для реализации этой технологической схемы исходный мусор должен быть очищен от крупногабаритных предметов, а также металлов, стекла, керамики, пластмассы, резины. Полученная фракция мусора загружается в биотермические барабаны, где выдерживается в течение 2 суток с целью получения товарного продукта. После этого компостируемый мусор вновь очищается от черных и цветных металлов, доизмельчается и затем складируется для дальнейшего использования в качестве компоста в сельском хозяйстве или биотоплива в топливной энергетике.

Биотермическое компостирование обычно проводится на заводах по механической переработке бытовых отходов и является составной частью технологической цепи этих заводов.

Однако современные технологии компостирования не дают возможности освободиться от солей тяжелых металлов, поэтому компост из ТБО фактически малопригоден для использования в сельском хозяйстве. Кроме того, большинство таких заводов убыточны. Поэтому предпринимаются разработки концепций получения синтетического газообразного и жидкого топлива для автотранспорта из продуктов компостирования, выделенных на мусороперерабатывающих заводах. Например, предполагается реализовать получаемый компост в качестве полуфабриката для дальнейшей его переработки в газ.

Способ утилизации бытовых отходов пиролизом известен достаточно мало, особенно в нашей стране из-за своей дороговизны. Он может стать дешевым и не отравляющим окружающую среду приемом обеззараживания отходов. Технология пиролиза заключается в необратимом химическом изменении мусора под действием температуры без доступа кислорода. По степени температурного воздействия на вещество мусора пиролиз как процесс условно разделяется на низкотемпературный (до 900°С) и высокотемпературный пиролиз (свыше 900° С) .

Низкотемпературный пиролиз - это процесс, при котором размельченный материал мусора подвергается термическому разложению. При этом процесс пиролиза бытовых отходов имеет несколько вариантов:

пиролиз органической части отходов под действием температуры в отсутствии воздуха; пиролиз в присутствии воздуха, обеспечивающего неполное сгорание отходов при температуре 760°С; пиролиз с использованием кислорода вместо воздуха для получения более высокой теплоты сгорания газа; пиролиз без разделения отходов на органическую и неорганическую фракции при температуре 850°С и др.

Повышение температуры приводит к увеличению выхода газа и уменьшению выхода жидких и твердых продуктов.

Преимущество пиролиза по сравнению с непосредственным сжиганием отходов заключается прежде всего в его эффективности с точки зрения предотвращения загрязнения окружающей среды . С помощью пиролиза можно перерабатывать составляющие отходов, трудно поддающиеся утилизации, такие, как автопокрышки, пластмасса, отработанные масла, отстойные вещества. После пиролиза не остается биологически активных веществ, поэтому подземное складирование пиролизных отходов не наносит вреда природной среде. Образующийся пепел имеет высокую плотность, что резко уменьшает объем отходов, подвергающийся подземному складированию. При пиролизе не происходит восстановления (выплавки) тяжелых металлов. К преимуществам пиролиза относятся и легкость хранения и транспортировки получаемых продуктов, а также то, что оборудование имеет небольшую мощность. В целом процесс требует меньших капитальных вложений .

Установки или заводы по переработке твердых бытовых отходов способом пиролиза функционируют в Дании, США, ФРГ, Японии и других странах.

Активизация научных исследований и практических разработок в этой области началась в 70-х годах ХХ столетия, в период "нефтяного бума". С этого времени получение из пластмассовых, резиновых и прочих горючих отходов энергии и тепла путем пиролиза стало рассматриваться как один из источников выработки энергетических ресурсов. Особенно большое значение придают этому процессу в Японии.

Высокотемпературный пиролиз. Этот способ утилизации ТБО, по существу, есть не что иное, как газификация мусора. Технологическая схема этого способа предполагает получение из биологической составляющей (биомассы) отходов вторичного синтез-газа с целью использования его для получения пара, горячей воды, электроэнергии. Составной частью процесса высокотемпературного пиролиза являются твердые продукты в виде шлака, т. е. непиролизуемые остатки. Технологическая цепь этого способа утилизации состоит из четырех последовательных этапов:

1. отбор из мусора крупногабаритных предметов, цветных и черных металлов с помощью электромагнита и путем индукционного сепарирования;

2. переработка подготовленных отходов в газофикаторе для получения синтез-газа и побочных химических соединений - хлора, азота, фтора, а также шлака при расплавлении металлов, стекла, керамики;

3. очистка синтез-газа с целью повышения его экологических свойств и энергоемкости, охлаждение и поступление его в скруббер для очистки щелочным раствором от загрязняющих веществ соединений хлора, фтора, серы, цианидов;

4. сжигание очищенного синтез-газа в котлах-утилизаторах для получения пара, горячей воды или электроэнергии.

При переработке, например, древесной стружки синтез-газ содержит (в %): влагу - 33,0; окись углерода - 24,2; водород - 19,0; метан - 3,0; двуокись углерода -10,3; азот - 43,4, а также 35-45 г/нм дегтя.

Из 1т твердых отходов, состоящих из 73% ТБО, 7% резиновых отходов (в основном автомобильные шины) и 20% каменного угля получают 40 кг смолы, используемой в котельной и м3 влажного газа. Объемная доля компонентов сухого газа следующая (в %): водород - 20, метан - 2, окись углерода - 20, двуокись углерода - 8, кислород - 1, азот - 50. Низшая теплота сгорания 5,4-6,3 МДж/м3. Шлака получается 200 кг/т.



Завод по сжиганию мусора – это предприятие, которое в своей работе использует принцип термического разложения. В печах для сжигания отходов производится сжигание ТБО под воздействием очень высоких температур.

Уничтожение мусора на таких заводах помогает уменьшить объем складируемых , что способствует уменьшению количества площадей, занятых мусорными свалками. Огромное количество бытовых отходов и проблема их размещения на сегодняшний день стоит достаточно остро, одним из способов решения её является строительство и ввод в эксплуатацию мусоросжигательных заводов. Уничтожения мусора на данных заводах имеет ещё плюсы. Например, энергия, полученная при сгорании отходов, может использоваться, как энергия для теплоснабжения и электроснабжения. На сегодняшний день все способы переработки мусора на таких заводах являются безопасными для экологии, но только при условии использования новейших методов газоочистки, так как при сгорании мусора выделяется огромное количество дыма и вредных веществ.

Так какие же технологии переработки мусора сегодня используются на мусоросжигательных заводах:

1. Слоевое сжигание отходов в печи происходит с помощью подачи раскаленных потоков воздуха на мусор находящийся на колосниковой решетке. Слоевое сжигание также делится разновидности. Данный способ утилизации бытового мусора подразумевает под собой хорошую систему газоочистки, которая позволит очистить большие объемы выделяемого при сгорании газа от вредных веществ.

2. Технология кипящего слоя - отходы делят на гомогенные фракции, которые в установках для сжигания отходов сгорают с использованием абсорбента, имеющего высокую тепло проводимость, например, песок. При данном способе уничтожения мусора совокупное количество вредных веществ в выделяемом газе значительно меньше.

3. Пиролиз и газификация - бытовые отходы нагревают при высоком давлении и при полном отсутствии кислорода, в результате воздействия температур образуются жидкости и газы. Выделенный газ можно использовать как источник энергии. Этот способ на сегодняшний день является считается самым безопасным для экологии.

Сегодня в России ведут свою деятельность всего 7 мусоросжигательных заводов, из них 4 находится на территории Москвы и Московской области. Первый завод по сжиганию мусора был построен в Москве в 1975 году (Спецзавод №2). В неизменном виде он просуществовал до 1995 года, когда был закрыт для замены технического оборудования, в связи с изменением норм по сжиганию твердых бытовых отходов и качеству очистки выделяемых газов, которым ранее действующее оборудование и используемые технологии уже не соответствовали. В 2000 году Мусоросжигательный завод № 2 возобновил свою работу с уже полностью обновленным оборудованием. Новые линии по переработке отходов и современная система газоочистки при наличии автоматизированной системы мониторинга делают утилизацию мусора безопасной для окружающей среды. На сегодняшний день этот мусоросжигательный завод соответствует как Российским, так и Европейским нормам по количеству попадающих в атмосферу вредных веществ.

Новая Россия в полной мере унаследовала от СССР ресурсно-экологическое неблагополучие в обращении с промышленными и бытовыми отходами, накопление которых приобрело лавинообразный и необратимый характер.

Рябов Юрий Васильевич
известный технолог-обогатитель, старший научный сотрудник, кандидат технических наук. Выпускник Фрейбергской горной академии (Германия).
В институте горно-химического сырья (ГИГХС Минхимпрома СССР) разрабатывал схемы обогащения различных видов горнохимического сырья (фосфатного, серного, борного и др.). Неоднократно оказывал научно-техническое содействие в организации его переработки за рубежом (Сирия, Египет, Тунис, Вьетнам,
Финляндия)

Все отходы, как было показано нами ранее в информационно-аналитических обзорах, представляют собой материальную базу промышленных производств, инновационно-технологический потенциал и в то же время источник медико-экологической опасности для среды обитания. Однако, если сложный поликомпонентный состав различных видов промышленных отходов ГПК, ХМК и ТЭК требует их специального изучения и оценки для выбора направлений и технологий их переработки, то твердые бытовые отходы (ТБО) представляют собой вторичное сырье, готовое к употреблению при условиях изначального сбора и сортировки. Очевидно, что несоблюдение этих условий приводит к необходимости захоронения или утилизации как накапливаемых (текущих) ТБО, так и лежалых. При сложившемся обращении с отходами в значительной мере утрачивается потребительская ценность различных видов вторичного сырья, но не устраняются экологические риски его хранения и процессов утилизации, среди которых преобладает сжигание. В нашей стране сложились устойчивые представления о том, что вовлечению техногенных ресурсов, включая вторичное сырье, в промышленное использование препятствует отсутствие необходимых технологий. К сожалению, новейшие отечественные технологии прикладной академической науки остаются невостребованными бизнесом и органами власти всех уровней.

В Объединенном институте высоких температур РАН только в последние 10–15 лет разработаны инновационные технологии 100%-ной переработки зольных отходов углесжигания на ТЭС, глубокой очистки промстоков различных специализированных предприятий с использованием нового эффективного реагента - флококоагулянта АСР, герметизации и консервирования с его применением лежалых тонкодисперсных отходов, включая высокотоксичные, и т. д. В ОИВТ РАН сосредоточен научно-методический опыт и возможности организации комплексного ресурсно-экологического картирования, изучения и оценки различных видов техногенных ресурсов, в том числе - на содержащиеся в них особо ценные (редкие и благородные) и экологически лимитируемые токсичные компоненты (Be, Hg, As, Cd, Tl и др.).

Портфель российских технологических разработок вполне достаточен для ускоренного программно-целевого решения актуальных задач их реализации в целях очистки территорий землепользования от складируемых отходов производства и потребления и тем самым устранения одной из главных причин эндемической экологически обусловленной заболеваемости и преждевременной смертности населения.
При этом авторы не исключают необходимость привлечения к решению рассматриваемых задач зарубежных технологий и опыта как успешной ликвидации негативных экологических последствий промышленной и бытовой деятельности, так и их предупреждения с использованием наилучших доступных технологий (НДТ). В связи с этим информационной основой нашей публикации явились появившиеся в последнее время материалы специалистов в области организации рециклинга, то есть промышленной переработки и использования вторичного сырья. Подобный сравнительный анализ отечественных и зарубежных разработок представляется необходимым для радикального решения проблемы переработки ТБО в нашей стране.
Пока же из реальных действий стоит отметить только личную инициативу Президента РФ по ликвидации накопленных и брошенных военными на Арктическом побережье свалок металлолома, включая бочки с неиспользованными горюче-смазочными материалами.

Российская панацея: все в землю
Необъятные просторы нашей страны, традиционная специфика менталитета населения, отсутствие необходимой и внятной государственной политики в совершенствовании систем обращения с отходами производства и потребления, включая радикальное совершенствование нормативно-законодательной базы, обусловили преимущественное захоронение ТБО на свалках-полигонах как в СССР, так и в новой России. К середине 90-х годов их количество превысило 35 тысяч. При этом ежегодные объемы ТБО, учтенные при вывозе из городов, составили 35 млн т, то есть 260 кг/чел. в год. Всего на учтенных полигонах и свалках в России сейчас накоплено более 65 млрд м3 ТБО с ежегодными поступлениями с середины 2000-х годов около 200 млн м3 и темпах роста 2% в год, что требует увеличения площадей для захоронения на 2,5–4%.
Согласно оценкам специалистов Минприроды и экологии РФ, в России насчитывается 110 тысяч несанкционированных свалок, учет, оценка и ликвидация которых представляют собой самостоятельную проблему. В период 2011–2014 годов силами Минприроды РФ ликвидировано 54 тысячи таких нелегальных свалок, что явно недостаточно, учитывая непрерывный рост их количества. Согласно оценкам Счетной палаты, количество функционирующих в стране МСЗ и МПЗ должно быть утроено, то есть речь идет о создании индустрии переработки как бытовых, так и промышленных отходов. Поэтому задачи экологизации действующих производств и коммунального хозяйства требуют и их одновременной коммерциализации за счет использования наилучших доступных технологий ликвидации как текущих, так и лежалых отходов.
В советское время существовали организованный сбор и система потребления макулатуры, текстиля, пищевых отходов и металлолома. В настоящее время подобные инициативы принадлежат единичным частным малым эколого-технологическим предприятиям (МЭТП) в некоторых крупных городах (Москва, Чебоксары, Вологда, Мурманск и др.), деятельность которых носит локальный характер и не объединена в какую-либо систему. Более того, в СМИ сложилось необоснованное мнение о неприменимости в российской действительности систем раздельного сбора мусора и переработки бытовых отходов, которое не опровергается должным образом природоохранными органами, в том числе примерами зарубежных промышленно-развитых стран (Германии, Японии, США и др.).

Многие полигоны и свалки ТБО созданы и эксплуатируются без надлежащего контроля муниципальных и природоохранных органов, с серьезными технологическими нарушениями и за пределами сроков эксплуатации, предусмотренных проектами, в том числе в Мурманске, Владимире (до 2000 г.) и других городах. Крупные мегаполисы расширяют зоны вывоза и захоронения своих ТБО за счет соседних административных территорий, тем самым сокращая их рекреационный потенциал. В частности, только вокруг Москвы на сегодняшний день существует более 100 официальных полигонов и свалок (причем только в ближайшем Подмосковье - более 10), а существующие мусоросжигательные заводы не справляются с накопленными объемами ТБО. Объемы ежегодного вывоза ТБО только в Пушкинском районе составляют ≥360 тыс. т. Кроме того, в Московской области необратимо возрастает количество собственных промышленных и бытовых отходов, а также несанкционированных свалок, в том числе обогащенных элементами-токсикантами 1-го класса опасности - ртутью, свинцом, кадмием и другими, а также радиоактивными элементами и высокотоксичной хлорорганикой (ПВХ и др.). Все эти свалки, не оборудованные в соответствии с передовым зарубежным опытом геомембранными системами гидроизоляции, дренажа и аккумуляции сточных вод и биогаза (метана), образующегося за счет разложения биомассы, представляют собой опасные очаги распространения экологического неблагополучия - от химического и бактериального загрязнения окружающей среды и прежде всего грунтовых вод до скоплений бродячих собак, крыс. Кроме того, захороненный мусор склонен к самовозгоранию, ликвидация которого представляется не менее затруднительной, чем пожаров на торфяниках. Создание, обустройство и содержание свалок, а также отводы под них земель тяжелым бременем ложатся как на бюджеты муниципальных образований, так и мегаполисов: захоронение 1 т мусора в развивающихся странах стоит 20–60 долл., а в промышленно развитых обходится еще дороже.
В ОИВТ РАН разработан радикальный способ объемной герметизации полигонов (свалок) ТБО. В этих целях предложено использовать способность нового эффективного алюмосиликатного реагента (АСР) - флококоагулянта - превращаться из золь-раствора в гель и твердый коллоид с полимерно-матричной структурой в течение 1–50 часов. Разработаны технологии непрерывного приготовления АСР и закачки его в тело полигона-свалки ТБО по сети буровых скважин. При этом реагент вытесняет воду из всего объема обработанного им хранилища ТБО благодаря своей большей плотности. Дальнейшее твердение АСР превращает ТБО в монолит, то есть обеспечивает надежную герметизацию полигона-свалки и изолирование его от любых внешних воздействий. Одновременно достигается исключение внутренних возгораний ТБО и каких-либо водных сбросов или фильтратов на рельеф. В ОИВТ создана установка для приготовления АСР и модель-аквариум для наглядной демонстрации процесса объемной герметизации эталона ТБО. Разработка в середине 2000-х годов была предложена для внедрения при обсуждении вариантов обезвреживания городских свалок в Сочи и Кузнецке, где инновационному техническому решению проблемы надежного захоронения ТБО предпочли традиционные инженерно-строительные решения. В настоящее время авторы рекомендуют использовать эти разработки для надежной изоляции от среды обитания полигонов-свалок ТБО в Московском регионе.
В зарубежном мире, в отличие от России, в качестве альтернативы захоронению ТБО широкое распространение получили промышленное мусоросжигание, раздельный сбор, сортировка и переработка городских отходов, то есть их рециклинг. Общее количество таких комплексных термических предприятий в мире составило в 1996 году 2400, а к 2005 году - 2800. Ведущая роль в их создании и техническом совершенствовании принадлежит Германии как лидеру природоохранных технологий (21%) и родине рециклинга, который в 1990-х годах осуществлялся там более чем на 160 заводах. В Японии количество подобных предприятий в те же годы составляло 49. В результате умелого сочетания целенаправленной государственной политики и интересов частных предпринимателей в Японии перерабатывается и уничтожается на МПЗ до 75% ТБО и лишь 25% захоранивается. В Германии и Голландии до 50% ТБО перерабатывается и уничтожается на термических предприятиях, во Франции - 40%, в Испании и США - 30–35%, в Италии, Канаде, Польше - от 10 до 30%. При этом стоимость термической обработки мусора на промышленных предприятиях развивающихся стран составляет 150–200 долл./т, а в промышленно развитых - значительно выше. Тем не менее суммарная экономическая эффективность, а также соответствие национальным и международным требованиям экологической безопасности обусловили преимущественное развитие промышленной мусоропереработки и сжигания относительно уходящего в прошлое захоронения ТБО на полигонах и свалках. Основным принципом глобальной программы ООН провозглашено превентивное «подавление» отходов производства и потребления, включая ТБО и выбросы, путем применения новых технологических процессов, сберегающих природные ресурсы, позволяющих использовать вторичное сырье и материалы и тем самым обеспечивающих ресурсно- и энергосбережение и экологическую безопасность. В соответствии с этой программой Франция и Голландия уменьшили объемы захоронения ТБО в период с 1998 по 2000 год с 50 до 7%, при этом доля мусоросжигания во Франции возрастала с 40 до 65%, а в Голлан-дии - с 10 до 20% при увеличении объемов вторичного использования и переработки (рециклинга) полезных компонентов ТБО с 50 до 70%.

От рудоразборного стола агриколы - к ленточному конвейру
Одной из основных операций в технологиях утилизации твердых бытовых отходов в России и многих странах остается ручная сортировка. Идея этой технологии появилась в свое время при ручной рудоразборке. На рисунке первого признанного европейского геолога, горняка, металлурга Георгия Агриколы показана идея этой технологии: с неподвижного стола, на котором находится рудная масса, одетые в кожаные фартуки средневековые работники отбирают полезные минералы. В лотках полезные и бесполезные компоненты переправляются в деревянные бочки (контейнеры).

Эта технология, рассчитанная на цветовое зрение и резвость сортировщиков (Klauber, нем. - «Крохобор»), осуществлена в настоящее время на движущихся ленточных конвейерах многих мусороперерабатывающих комплексов России (их насчитывается на сегодня свыше 250). Отличие современной сортировочной ленты от гравюры Агриколы заключается только в ее подвижности и в использовании вместо деревянных бадей пластиковых контейнеров. Составляющими элементами при ручной сортировке на неподвижном столе Агриколы или на движущемся со скоростью не более 0,5 м/сек современном конвейере были и остаются визуальная оценка компонентов, их классификация, разделение и выборка.
Несмотря на создание комфортных условий для сортировщиков ТБО, которые позволяют им отбирать и отправлять в контейнеры до полутонны бумаги, до 800 кг стеклотары, 280 кг пластика, 55 кг алюминиевых банок в час, ручная сортировка представляется в известной степени анахронизмом для крупных МПЗ, но незаменима для малых и средних МЭТП. Она позволяет решать две взаимосвязанные задачи - экономическую и экологическую: селективной переработки составляющих ТБО с получением вторичных материалов и изъятия из несортированной массы, подлежащей термической обработке на МСЗ и МПЗ, особо токсичных компонентов, к которым относятся ртуть (люминесцентные лампы), свинец (аккумуляторы), кадмий (аккумуляторы, батарейки и пластмассы) и другие элементы трех классов опасности, а также хлорорганические соединения, в основном связанные с полимерными материалами 1-го класса опасности. Раздельный сбор ТБО по видам от городского населения, учреждений и предприятий давно и широко практикуется в Германии, США, Франции и других промышленно развитых странах, включая бывший СССР, обеспечивая высокое качество получаемых из них материалов. Однако при этом пока в переработку вовлекается не более 15–20% общей массы ТБО. Механизированное обогащение и сортировка ТБО, поступающих на термические предприятия для переработки и сжигания в объемах от 100–250 тыс. т до 0,5–1,0 млн т в год, значительно продуктивнее, но не обеспечивает необходимой чистоты выделяемого вторсырья и, следовательно, качества получаемых из него вторичных материалов. При этом возможны оптимальные варианты сочетания ручной сортировки ТБО (после предварительной сушки) на конвейерной ленте «до печи» с их механизированной сортировкой, и «после печи» для дробления и разделения шлака и золы с выделением фракций черных и цветных металлов.
Предварительная сортировка ТБО с удалением и вывозом на полигоны негорючих материалов уменьшает при их термической обработке выбросы ртути на 76%, мышьяка - на 72%, свинца - на 41%, а КПД сгорания, напротив, повышает на 22%.

Аэросепарация - один из самых дешевых способов сортировки ТБО
Удалось ли человечеству за почти 500 лет придумать что-то, позволяющее уйти от этого трудоемкого, всё еще живущего примитива? Ответ можно считать положительным. Аэросепарация - это разделение бытовых отходов в восходящем потоке воздуха. Существует множество конструкций аэросепараторов, учитывающих морфологию, материальный и гранулометрический состав ТБО.
В легкой фракции аэросепарации большой практический интерес представляет смесь полиэтиленовых (ПЭТ) и полихлорвиниловых (ПВХ) пластиков. Важно это и с экологической точки зрения. Если отправить органическую часть на сжигание, то выделение хлора при сжигании смеси пластиков приведет к превышению его содержания в отходящих газах. Предложен флотационный способ разделения ПЭТ и ПВХ. Измельченная смесь пластиков обрабатывается депрессором quebraccho или arabic gun и при подаче вспенивателя pain oil подается во флотационную камеру. При подаче в камеру воздуха частицы, содержащие ПВХ, всплывают в пену, тем самым отделяясь от ПЭТ. Однако более интересным представляется сухой способ разделения этих пластиков электросепарацией, который технологически и экономически хорошо сочетается с аэросепарацией. Целью этой операции является снижение содержания ПВХ с 0,1 до 0,004%. Измельченная смесь пластиков поступает в трибокамеру, где при взаимном трении частицы ПЭТ и ПВХ получают различные электрические заряды. В электросепараторе EKS фирмы Hamos GmbH (Германия), имеющем два плоских пластинчатых электрода, в поле высокой напряженности положительно заряженные частицы ПЭТ притягиваются к отрицательному электроду, отдают ему свой заряд и выделяются из аппарата в виде готового продукта.

Если сжигать, то как?
Одним из самых древних способов переработки отходов, который используется и сегодня как на бытовом уровне, так и в промышленных масштабах, является их сжигание. Но при сжигании бытовых отходов, содержащих значительное количество полиэтиленовой упаковки, особенно экологически вредной ПВХ, выделяется большое количеств диоксинов и фуранов, являющихся канцерогенами. Бороться с этой опасностью можно, организовав в печи эффективный режим сжигания и установив достаточное количество ступеней очистки отходящих газов. В Европе эта задача, в принципе, решена. В европейском сообществе насчитывается более 400 заводов, сжигающих около 59 млн т ТБО в год, которые вырабатывают 22 млрд кВт/час энергии в год для энергоснабжения самих заводов и городов. При этом решается задача переработки токсичных золошлаков от сжигания ТБО. В 1996 году на 51 мусоросжигательном заводе (МСЗ) в Германии было сожжено 11 млн т ТБО. При этом образовалось до 3 млн т шлакозольных отходов (ШЗО), из которых 70% были подвергнуты обогащению. Эти ШЗО содержали от 50 до 90% минеральных фракций, от 1 до 5% углерода и 9–10% металлов.
Количество МСЗ в Германии возросло с 70 в 2007 году и до 85 в 2013 году, то есть более чем на 20%. Там же используются технологии, альтернативные сжиганию: сортировка, механобиологическая переработка с последующей ферментацией или компостированием биологической части ТБО и т. д. Тем не менее распространено мнение, что сжиганию ТБО нет альтернативы. Частичная замена природного топлива (газа, нефти, угля), содержание в котором вредных примесей выше, чем в ТБО, бытовыми отходами является, по мнению авторов, экологически предпочтительным.
В последние годы в разных странах мира был выполнен большой объем научно-технических исследований и практических работ по созданию теплоэлектростанций, использующих в качестве топлива бытовые отходы. Существуют конструкции камер сгорания, системы очистки отходящих газов, которые позволяют достичь энергетической и экологической эффективности процесса сжигания ТБО и производства из них электро-энергии, не уступающих мировому уровню. Концерн Fisia Babkok Environment GmbH разработал и сдал в эксплуатацию МСЗ производительностью 360 тыс. т ТБО в год. При этом на предприятии обеспечиваются уровни выбросов в атмосферу вредных газов, в том числе диоксинов и фуранов, на порядок ниже ПДК, а извлекаемые из шлаков металлы могут быть реализованы на сумму 4 млн евро в год. Указывается, что удельные капитальные и эксплуатационные затраты с гарантией высоких экологических показателей существенно ниже, чем на действующих установках по переработке ТБО. Концерн готов поставить десятки установок в РФ и организовать утилизацию ТБО.
В России из 35–40 млн т ТБО, образующихся ежегодно, только 4–5% подвергаются переработке. Остальные отправляются на депонирование, проще говоря, - на захоронение, как и в далекие времена. Суммарная мощность семи наиболее крупных российских МСЗ составляет около 1 млн т в год. В Москве три МСЗ, еще четыре более или менее мощных МСЗ работают во Владивостоке, Череповце, Пятигорске и Мурманске.
На ряде МСЗ ТБО подвергаются ручной сортировке на ленточном конвейере, что позволяет, например, на МСЗ № 4 в Москве при переработке 275 тыс. т ТБО получать 10 тыс. т бумаги и картона, 4 тыс. т пластика, 3 тыс. т стекла, 7 тыс. т черных и 1 тыс. т цветных металлов. Отходы после сортировки поступают на сжигание. Образовавшийся после сжигания шлак используется в дорожном строительстве, а зола обрабатывается реагентами-отвердителями, после чего она депонируется. Однако сортировку отходов перед сжиганием используют не все МСЗ. Выделение пластиков из потока перед сжиганием считают невыгодным, так как поступающий на сжигание материал должен иметь определенную калорийность, чтобы производство пара и электроэнергии было экономичным.
При этом получается так, что мусоросжигательные заводы, предназначенные для решения экологических проблем, в то же время сжигают пластики, включая ПВХ, которые являются основным источником высокотоксичных диоксинов и фуранов. Многие МСЗ находятся в длительной эксплуатации и используют устаревшие технологии, особенно ущербные с точки зрения очистки отходящих газов. В качестве положительного примера решения проблемы снижения концентрации вредных веществ в отходящих после сжигания газов можно привести МСЗ № 3 в Москве. Завод был сдан в эксплуатацию в 1984 году. В 2012 году он был реконструирован при участии инвестора - австрийского концерна ENV AG - для достижения производительности 360 тыс. т ТБО в год. Благодаря использованию топочной камеры новой конструкции удалось обеспечить практически полное сгорание отходов с недожогом не более 1%. Трехступенчатая очистка дымовых газов обеспечивает уровень концентрации загрязняющих веществ менее 60% от ПДК, а содержание особо вредных диоксинов и фуранов не превышает 45% от ПДК. Магнитная сепарация золошлаковых отходов обеспечивает получение до 5 тыс. т черного металла, реализация которого пополняет доход завода.
Несмотря на заверения сторонников технологии сжигания бытовых отходов в ее экологичности, в стране существует широкое общественное движение против строительства МСЗ в Москве, Санкт-Петербурге и в других населенных пунктах. Дело доходит до того, что протестующие приковывают себя цепями к ограде мест, где планируется возведение таких, с точки зрения жителей, губительных для человека производств.
Изначально мусоросжигание рассматривалось как альтернатива захоронению ТБО. В бывшем СССР действовало 10 МСЗ, в том числе - 3 в Москве и по одному - в Мурманске, Нижнем Новгороде, Владивостоке, Череповце и других городах. Все они оказались энергоемкими и не производящими никакой продукции, кроме пара за счет тепловой энергии, то есть убыточными и дотационными. Стоимость утилизации на МСЗ 1 т ТБО составляет сейчас 220–240 руб./т, что дороже всех остальных способов переработки, и тем более - захоронения мусора. В настоящее время эти МСЗ либо остановлены и реконструируются в мусороперерабатывающие заводы - МПЗ (Москва), либо продолжают работать по прежней схеме (Мурманск), представляя собой в отличие от свалок активные и экологически опасные источники загрязнения окружающей среды. Мусоросжигательные заводы были построены в начале 1980-х годов. Их оборудование, преимущественно чешское (фирмы «Дукла»), морально и технологически устарело и не обеспечивает как высокую температуру сжигания мусора (более 1300 ˚С), необходимую для разложения высокотоксичной органики (диоксинов, фуранов и др.), так и многостадийную очистку отходящих газов (6 тыс. м3 на 1 т ТБО), принятую в настоящее время за рубежом. У нас мусоросжигание происходит в одну стадию, за рубежом - в 5–6. Нормирование выбросов на российских МСЗ производится по ограниченному количеству ингредиентов загрязнения.

Результаты специальных исследований СЗ НТЦ «Экология и ресурсы» деятельности Мурманского завода ТО ТБО в 1997–98 годах свидетельствуют о комплексном и крайне опасном воздействии предприятия на окружающую среду в Северном районе Мурманска, занимающем порядка 30% площади города. В зольных уносах, шлаках и лежалых шлакозольных отходах обнаружены высокие концентрации целого ряда тяжелых металлов всех трех классов опасности, причем наиболее значительные превышения над ПДК, нормированными для почв, установлены для свинца и цинка (до 100–150 раз), кадмия (100–1300 раз), сурьмы, меди, хрома (от 3 до 30 раз) и ванадия (1,3–7 раз). Относительно общесанитарного показателя вредности эти концентрации превышают нормативы по меди в 200–300 раз, по цинку и свинцу в 80–100 раз, по ванадию в 1,3–6,7 раза. В сточных водах МСЗ после промывки шлака установлены превышения ПДК для хозяйственно-бытовой канализации концентрациями Cr, Ni, Cu, нефтепродуктов, фенолов, диоксида азота, хлора и сульфат-иона. Как известно, присутствие фенолов и хлора в сточных водах обусловливает образование в них диоксинов, прежде всего характерных для газопылевых выбросов МСЗ, где их концентратором является летучая зола. В промывочных водах Мурманского завода ТО ТБО были установлены концентрации ртути, превышающие ПДК в 8 раз, кадмия и свинца в 2–4 раза, цинка и меди в 148–165 раз, железа, никеля и кобальта в 5–10 раз.
В течение десятилетий Мурманский завод ТО ТБО, сжигавший ежегодно 100 тыс. т ТБО, помимо загрязнения атмосферного воздуха в городе, практиковал отсыпку шлакозольными смесями различных стройплощадок и прежде всего гаражей, официальный вывоз этих смесей на городскую свалку и, наконец, несанкционированный вывоз в зеленую зону с отсыпкой в верховьях малых рек, дренирующих городскую застройку и впадающих в Кольский залив. Неоднократные попытки администрации г. Мурманска, продавшей в свое время свою долю акций частным владельцам завода, приостановить его экологически опасную деятельность, встречали сопротивление хозяев предприятия и лавинообразный рост числа несанкционированных свалок.

Рециклинг ТБО за рубежом и в России
Согласно зарубежному опыту, не менее 25–30% мусора в случае его предварительной сортировки подлежат рециклингу, то есть вторичной переработке с получением различных ценных материалов и изделий. Так, например, переработка 1 т макулатуры экономит 3,5 м3 древесины, 6,3–14,6 ГДж тепла, 300–800 кВт/час электроэнергии и уменьшает загрязнение окружающей среды. В Германии девиз «Здесь благодарят за мусор» стал одним из стимулов замены природной древесины, импортируемой из Скандинавии, вторичным упаковочным сырьем. Там же для ежегодного производства 10 млрд упаковочных пакетов расходуется более 0,2 млн т картонного материала, то есть по 2,5 кг на каждого жителя. В течение двух лет после постановления правительства об упаковке из вторсырья вывоз мусора на свалки сократился на 15%. На сортировочной ленте выбирается до 95% картонной упаковки. Предприятия по утилизации вторсырья оснащаются компьютерами, инфракрасными определителями металла, вибросепараторами и другими механическими, оптическими и электронными приборами.
В России объемы ШЗО мусоросжигательных заводов составляют порядка 30% от исходной массы ТБО. Согласно расчетам по результатам опытного фракционирования ШЗО на московских МСЗ, за счет переработки всего объема ТБО (2,5 млн т/год) может быть получено: стеклокерамической массы - 123,7 тыс. т, железного лома - 33 тыс. т, алюминия - 3,95 тыс. т, меди -
1,7 тыс. т, магнитного и шлакового песка - 371,2 тыс. т. Концентрат тяжелых металлов содержит 37% меди, 12,6% цинка, 4,3% свинца и соответствует по качеству вторсырью меди класса Г сорта 1 (ГОСТ 1639-78). Содержание алюминия в легкой фракции (после додрабливания) составляет 50–60%, что соответствует требованиям того же ГОСТа к сырью для производства вторичного алюминия. Все операции по переработке ШЗО выполняются на простом оборудовании (пресс для лома черных металлов, дробилка, виброгрохот, магнитный сепаратор, отсадочная машина). В результате исключается необходимость вывоза, складирования или захоронения объемных шлакозольных отходов, создается еще одно направление малого экологического предпринимательства и соблюдаются требования экологической и санитарной безопасности в обращении с отходами МСЗ и МПЗ.
Следует отметить, что все отечественные разработки промышленной технологии переработки мусора, предложенные в последние 25 лет, остались нереализованными. В известной степени это было обусловлено заимствованием разработчиками технологий мусоросжигания из собственной сферы деятельности - металлургической (домна), энергетической (котел электростанций), оборонной и других, не учитывающих специфику термообработки ТБО и не подтвержденных пока экспериментально. С другой стороны, при использовании зарубежных технологий не учитывалась специфика состава и состояния российских ТБО, которые существенно отличаются от западных стандартов несортированностью, высокой влажностью, низкой теплопроводностью, высокой зольностью (до 30%) и т. д. Нередко согласие западных партнеров предоставить кредиты на создание МПЗ в России сопровождалось условиями ввоза и сжигания на них зарубежных отходов. Отечественные проекты строительства предприятий по переработке мусора предусматривают окупаемость затрат в течение 3,5–5 лет при удельном показателе капиталовложений на 1 тонну ТБО около 190,3 долл. За рубежом этот показатель значительно выше: в Нидерландах - 417 долл., в США - 450 долл., в Германии - 715 долл. Стоимость западных проектов МПЗ, как правило, превышает финансовые возможности регионов России за исключением Москвы, где создана городская сеть мусороперегрузочных станций; с использованием зарубежных технологий и техники осуществляется прессование мусора в брикеты, что позволяет уменьшать объем вывозимых на загородные свалки (в Икшу, Хметьево и др.) ТБО до четырех раз, обеспечивать максимальную загрузку мусоропроводов и тем самым экономить средства на автотранспорте и объемах захоронения мусора.
С целью реализации такой политики в Москве были созданы ГУП «Экопром» и МГУП «Промотходы», причем последнее объединило в Ассоциацию «Вторэкоиндустрия» 16 коммерческих организаций, занятых селективным сбором и переработкой вторсырья, преимущественно промышленных предприятий и нежилого сектора с использованием отечественных технологий и оборудования. Особое внимание уделяется восстановлению утраченного в 1990-х годах рынка сбора и вторичного использования макулатуры. Заготовки ее в Москве для вторичного использования тогда составляли 350 тыс. т, в Московской области -75 тыс. т. Эта макулатура вывозилась для переработки в города Ступино и Серпухов на бумажные фабрики (2–4%), а остальной объем - в Ленинград, Рязань, Муром и другие города из-за отсутствия подобных производств в Москве. На 52 предприятиях с использованием макулатуры (от 20 до 100% загрузки) производилось 50 видов бумаги и картона. Как известно, целевой сбор макулатуры был организован централизованно по всей стране.
В 2000-е годы в Москве был создан целый ряд частных фирм по переработке вторичного сырья: макулатуры, ртутных ламп, свинцовых аккумуляторов, гальваношламов и гальваностоков, автомобильных шин и др. Кроме того, на городских стройплощадках и несанкционированных свалках обнаруживаются многочисленные участки радиоактивного загрязнения: ежегодно НПО «Радон» выявляет 10–15 таких участков при рытье котлованов по всему городу.
Несмотря на солидные капиталовложения (сотни млн долл.) в строительство и реконструкцию объектов по утилизации и переработке мусора в Москве, до сих пор на полигоны и свалки Московской области приходится вывозить и захоранивать до 90% городских отходов. Проблема усугубляется ежегодным образованием в Москве еще 6 млн т промышленных отходов и более 1 млн т иловых осадков очистных сооружений, загрязненных тяжелыми металлами и токсичной органикой, накопление которых составляет десятки миллионов кубических метров.
В ограниченных объемах (до 10%) переработка ТБО осуществляется в Нижнем Новгороде, Уфе и Санкт-Петербурге. Примечательно, что в последнем случае используется биотермическая технология, в основу которой заложен принцип превращения органической части ТБО, составляющей порядка 40–50% (пищевые отходы, древесина, макулатура и др.), в компост с удалением, пиролизной обработкой и захоронением некомпостируемых составляющих. Однако высокие содержания в компосте неустраняемых тяжелых металлов и других токсикантов резко ограничили возможности сельскохозяйственного использования такого компоста, так же как и иловых осадков городских очистных сооружений.
Согласно богатому зарубежному опыту и отечественным разработкам энтузиастов, любая биомасса при определенных условиях может быть переработана в биогаз (метан), который в изобилии выделяется при разложении ТБО на полигонах и свалках, при складировании компоста и навоза и т. д. Биогаз может быть получен как на малогабаритных установках для автономного тепло- и энергосбережения в городских и сельских условиях, так и на крупных заводах, расположенных на полигонах и свалках ТБО. Мировым лидером в создании и широком использовании биоэнергетических установок является Китай, где работает около 5 млн домашних биогазовых установок, производящих более 1 млрд м3 газа в год для 20 млн человек. До 0,5 млн биоэнергетических установок (БЭУ) используется в Индии, сотнями исчисляется их количество в Японии, странах Европы и Америки.
В США более 30 крупных заводов извлекают метан из продуктов разложения городских свалок.

В нашей стране ежегодно образуется до 500 млн т органических отходов (по сухому веществу), что эквивалентно по энергосодержанию 100 млн т условного топлива. Впервые, еще в 1940–1950 годах в СССР были высказаны идеи биотехнологической переработки органических отходов, однако до недавнего времени работала только одна подобная установка на Октябрьской птицефабрике в Подмосковье, а вторая испытывалась на птицефабрике во Владимирской области. Затем центр «ЭкоРос» сконструировал две серийные биогазовые установки: ИБГУ-1 для крестьянской усадьбы и БИОЭН-1 для фермерского хозяйства. Их испытания и эксплуатация доказали тройной эффект: экологический (уничтожение отходов биомассы), энергетический (производство метана) и экономический (производство нетрадиционных, экологически безопасных и высокоэффективных удобрений из остатков перерабатываемой биомассы). По эффективности 1 т новых удобрений эквивалентна 60 т навоза. Годовая производительность БЭУ как фабрики удобрений достигает 70 т при расходе 1 т на гектар земельных угодий. Первые 65 БЭУ усадебного типа выпустили заводы в Туле и Кемеровской области. Потребность в усадебных БЭУ определена на ближайшие 5 лет в 50 тыс. шт. при стоимости 20 тыс. рублей. Заказы на российские установки поступили из Казахстана и Белоруссии, ЮАР, Объединенных Арабских Эмиратов, Дании, Финляндии и даже Китая - ведущего в мире производителя биогаза.

Опытные пиролизные установки для переработки различных видов биомассы, включая древесину, созданы в Канаде, Италии, Испании, Финляндии, Нидерландах, США и Греции, а исследователи и их создатели объединены в Пиролизную сеть - Pyroysis NetWork (PyNe), работы которой финансируются Европейской комиссией. Наиболее «продвинутыми» являются канадские установки фирмы Ensyn, используемые также в США и Великобритании. Пиролиз биомассы, в том числе специально выращиваемой древесины, рассматривается в качестве одного из приоритетных направлений энергетики в европейских странах.

Есть ли перспектива использования "мокрых" способов переработки ТБО?
В Интернете появилось сообщение о радикальной смене направления в утилизации отходов в сторону использования гидросепарации. Известно также, что в Пятигорске обсуждались варианты реконструкции действующего МСЗ. Компания Niagara Traiding Co. Ltd предложила гидротермический способ переработки ТБО Waste Away. Мусор превращается в гомогенный, биологически стабильный материал, так называемый пух. Он прессуется и может быть использован в качестве альтернативного топлива, удобрения или в строительстве. Этот способ является практически безотходным. Однако руководство города, избегая риска, поскольку способ Waste Away пока не имеет широкого распространения, приняло решение в пользу технологии сжигания, предложенную компанией CNIM. В Интернете есть сообщения о том, что власти отказываются от строительства заводов для сжигания бытовых отходов. Нет уверенности в том, что сооружение новых МСЗ в Москве и других регионах РФ состоится. В качестве альтернативы называются гидравлические способы переработки ТБО, хотя детали этих способов не уточняются.
На наш взгляд, одним из таких альтернативных сжиганию способов может быть технология механобиологической переработки ТБО (МБП ТБО), разработанная фирмой Hese GmbH (Германия). Технология осуществляется в нескольких связанных между собой модулях. В голове процесса стоит модуль «Обогащение», задачей которого является выделение из ТБО металлов, инертных материалов (камней, керамики и др.), а также биологической части для производства альтернативного топлива и сырого субстрата для получения окатышей или направления в модуль компостирования или ферментации.
Основой присутствующего во всех вариантах комбинаций модуля «Обогащение» является каскадная мельница. В мельнице осуществляется измельчение ТБО металлическими шарами. Максимальный размер предметов и кусков ТБО, входящих в мельницу, определяется диаметром горловины (1 м). Предметы крупнее 1 м удаляются перед входом в мельницу. Попадающие между шарами фольга, органика, бумага, картон, пищевые отходы измельчаются до крупности 10–40 мм. Биологические компоненты раздавливаются, в то время как металлические предметы, батарейки, пластиковые бутылки только деформируются. Органические компоненты (пищевые отходы), содержание которых составляет чуть более 5%, измельчаются до 25–40 мм. При этом выход фракций от 0 до 10 мм составляет 80–85%. Эти фракции, измельченные и дезинтегрированные, насыщаются кислородом, что способствует их последующей ферментации или компостированию. На выходе из каскадной мельницы имеется бутара (барабанное сито), в которой и осуществляется выделение тонко измельченной биологической фазы. Фракция крупнее 40 мм после бутары подвергается магнитной сепарации для выделения черных металлов и затем извлечению цветных металлов в электродинамическом сепараторе. Фракция мельче 3–8 мм имеет повышенную влажность, что весьма благоприятно для последующих процессов ферментации или компостирования. При производительности установки 120 тыс. т ТБО, при трехсменной работе, за 250 рабочих дней установка обеспечивает получение: 6 тыс. т железосодержащих продуктов, 0,4 тыс. т цветных металлов, 14 тыс. т топливозаменителя EBS 1 (cодержит вязкие пластики); 65 тыс. т топливозаменителя EBS, 2,29 тыс. т мелкого продукта (<5 мм) для биологической переработки, 5 тыс. т инертных материалов. Это означает, что технология механобиологической переработки обеспечивает более чем 90%-ное использование бытовых отходов!
Вышеизложенные материалы свидетельствуют о необходимости программно-целевого решения проблемы вовлечения в переработку в масштабах всей России промышленных и бытовых отходов с созданием новой индустриальной отрасли. Не только Арктика и ближний космос нуждаются в «зачистке» в соответствии с инициативами президента страны и академиков. Прежде всего в этот процесс должны быть вовлечены моногорода и густонаселенные территории, где переработка отходов способна активизировать инновационно-технологический потенциал, обеспечить занятость населения, повысить его социально-экономический статус и снизить уровни экологически обусловленной заболеваемости.
Что для этого необходимо? Прежде всего - политическая воля в совершенствовании существующей нормативно-законодательной базы и проявление инициатив в организационно-финансовой поддержке научных и техноэкологических разработок и программ на федеральном, региональном и муниципальном уровнях. В этих целях представляется целесообразным проведение в 2016 году парламентских слушаний в Госдуме РФ и затем специальных территориальных конференций. В результате может быть создана технологическая платформа будущей программы действий и сформирован Межрегиональный координационный совет (МКС). Рекомендуемая организация корпоративного взаимодействия специалистов-экологов, технологов и экономистов РАН, вузов и предприятий, имеющих прямое отношение к рассматриваемой проблеме и тем самым уже участвующих в ее решении, способна, со своей стороны, обеспечить реализацию государственных инициатив, вплоть до создания сетевых структур научно-производственного государственно-частного партнерства.
Со своей стороны редакция журнала «Редкие земли» выражает готовность оказывать информационную поддержку, включая обмен организационно-технологическим опытом между действующими крупными и малыми предприятиями, занятыми утилизацией и переработкой отходов, в первую очередь на территориях Москвы и Московской области при содействии МПР и экологии и Минпромторга РФ.

Схема рентгеновского сепаратора фирмы Mogensen (Германия)

Примером использования рентгеновской сортировки твердых бытовых отходов является схема, предложенная немецкими фирмами Mogensen и CommoDas. Принцип действия сепаратора фирмы Mogensen основан на использовании облучения рентгеновскими лучами движущегося на конвейерной ленте материала, выделенного после аэросепарации ТБО. При прохождении рентгеновских лучей через куски материала наблюдается эффект их ослабления, который зависит от атомного строения и плотности материала.
В пробах тяжелой фракции аэросепарации крупностью 30–60 мм различимы органические и неорганические компоненты. Преимущество этого способа, например, перед сепаратором, работающим в ближней инфракрасной области спектра, заключается в том, что критерием разделения является плотность материала. Этот критерий не зависит ни от размера частиц, ни от их формы, веса и цвета поверхности. Такая тонкость восприятия недоступна человеческому глазу.
Согласно схеме, сепарируемый материал из бункера-питателя 1 поступает на транспортирующий лоток 2, который дозирует материал и подает на стол 3, на котором осуществляется разобщение частиц и образование монослоя. Из источника 4 происходит облучение движущегося материала в диапазоне угла 80˚. Интенсивность прошедших через материал лучей измеряется двумя быстрострочными сенсорами с различной спектральностью. Специально разработанные для Mogensen однострочные сенсоры, которые при разрешении 0,8 мм и глубине обработки в 10 бит соответствуют скорости и разрешению однострочной камеры CCD при сортировке по цвету. Классификация частиц осуществляется устройством обработки данных с помощью ЭВМ 6 в течение нескольких миллисекунд. По результатам сверхскоростного анализа принадлежности частиц к тому или иному сорту ЭВМ передает команду на устройство 7, оснащенное быстродействующими пневматическими клапанами, являющимися аналогом руки рудоразборщика с гравюры Агриколы.
Струи сжатого воздуха отдувают частицы органического и неорганического состава в отсек 8 с двумя контейнерами. Фирмой Mogensen выпускаются сепараторы двух типов: AR 1200
и AQ 1100, имеющие производительность по твердым бытовым отходам от 5 до 20 м³/час. Расход электроэнергии составляет 7,5 квт/час. При обогащении твердых бытовых отходов
получают органическую фракцию, которая может быть использована в качестве альтернативного топлива, и неорганическую, содержащую менее 5% органики, которая может быть
направлена на депонирование. Сепаратор оснащен защитой от облучения, и уровень излучения находится значительно ниже допустимой дозы радиации.

Литература
1. Делицын Л.М., Власов А.С. Иммобилизация конденсированных вредных промышленных веществ. В сб. Техногенные ресурсы и инновации в техноэкологии. Под ред. Е.М. Шелкова и Г.Б. Мелентьева. – М: ОИВТ РАН, 2008. – С. 352.
2. Малышевский А.Ф. Обоснование выбора оптимального способа обезвреживания твердых бытовых отходов жилого фонда в городах России. Министерство природных ресурсов РФ, 2012 г. 3. Мелентьев Г.Б. Создание индустрии переработки возобновляемых техногенных ресурсов и инновационная техноэкология как альтернатива экстенсивному недропользованию. В сб. Север и рынок. – Апатиты: КНЦ РАН, 2007. С. 178-184.
4. Мелентьев Г.Б. Техногенный потенциал: в ожидании промышленного освоения. В ж. Редкие земли, вып. 3, 2014. С. 132–141.
5. Мелентьев Г.Б., Шуленина З.М., Делицын Л.М., Попова М.Н., Крашенинников О.Н. Промышленные и бытовые отходы: инновационная политика и научно-производственное предпринимательство как средства решения проблемы. В ж. Экология промышленного производства, вып. 4, 2003 (ч. 1). С. 43–54; вып. 1, 2004 (ч. 2). С. 41–51.
6. Шубов Л.Я., Ставровский М.Е., Шехирев Д.В. Технология отходов мегаполиса. Технологические процессы в сервисе, 2002, Москва.
7. W.L. Kaltentindt, W.L. Dalmijin. Improved Separation of Plastics by Flotation Using a Combined Treatment. Freiberger Forschungshefte, A 850, 1999, Sortierung der Abfaelle und mineralischen Rohstoffe, Technische Uni Bergakademie Freiberg, s. 132–141.
8. P. Koch Die Rolle der Zerkleinerung in Anlagen zur mechanisch- biologischen Abfallbehandlung von Hausmuell (MBA). Aufbereitungs Technik, 4, 2002/43. Jahrgang, s. 25-32.
9. P. Koch, W. Weining, B. Pickert Haus- und Restmuellbehandlung mit dem modularen Hese – MBA – Verfahren, Aufbereitungs Terchnik, 6, 2001/42. Jahrgang, s. 284–296.
10. R. Meier – Staude, R. Koehlechner «Elektrostatische Trennung von Leiter-/Nichtleitergemischen in der betrieblichen Praxis». Aufbereitungs Technik, 3, 2000/41. Jahrgang, s. 118–124. 11. G. Nimmel Aerostrommsortierung bei der Restabfallaufbereitung. Aufbereitungs Technik, 4, 2006/47. Jahrgang, s. 16–28.
12. T. Nisters. Ersatzstoffherstellung mit NIR – Technologie. Aufbereitungs Technik, 12, 2006/47. Jahrgang, s. 28 – 34.
13. T. Petz, Ja. Meier – Kortwig Aufbereitung von Muellverbrennungsaschen unter besonderer Beruecksichtigung der Metallrueckgewinnung. Aufbereitungs Technik, 3< 2000/41. Jahrgang, s. 124–132
14. A. Trogl. Was waere die Entsorgungswirtschaft ohne die Abfallverbrennung?. Aufbereitungs Technik, 5, 2007/48. Jahrgang, s. 4–13.
15. E. Zeiger Sortierung verschiedener Abfallstroeme mit Mogensen – Roentgen – Sortiertechnik. Aufbereitungs Technik, Nr.3, 2006, 47. Jahrgang, s. 16–23.

ТЕКСТ: Ю.В. Рябов, Г.Б.Мелентьев, Л.М. Делицын
Объединенный институт высоких температур РАН

Наряду с максимальным ис­пользованием их энергетического потенциала необходимым требова­нием является экологическая безопасность процесса.

Московский мусоросжигательный завод (МСЗ № 2) в соответствии с Программой санитарной очистки г. Москвы, изложенной в постановлениях Правительства Москвы № 239 от 5 мая 1992 г. и № 941 от 18 октября 1994 г., в период с 1995 по 2000 г. был реконструирован. Реконструкцию прове­ли в целях повышения производительности и обеспечения экологической безопасности. Основное технологическое оборудование для реконструкции МСЗ № 2 в соответствии с контрактом поставила французская фирма CNIM . В объем поставки вошли три технологические линии, состоящие из мусоро­сжигательных котлов, комплектной системы газоочистки, системы контроля и управления технологическим процессом, а также системы постоянного экологического мониторинга. Увеличение количества технологических линий с двух до трех при сохранении их единичной производительности (8,3 т ТБО в час) позволило обеспечить надежную и стабильную работу завода и уве­личить его производительность до 150 тыс. т ТБО в год.

Многоступенчатая система газоочистки, установленная после реконструк­ции, полностью удовлетворяет требованиям европейских и российских нормативов и позволяет значительно сократить выбросы вредных веществ. Причем следует отметить, что на заводе после внедрения отечественной технологии очистки получены лучшие в мире результаты по содержанию оксидов азота в дымовых газах.

Контроль и управление технологическим процессом, начиная с обезвре­живания отходов, очистки дымовых газов и заканчивая экологическим мо­ниторингом, автоматизированы. Таким образом, вероятность ошибки опе­ратора практически сведена к нулю. Благодаря утилизации вырабатываемо­го пара полностью обеспечены потребности завода в тепловой и электри­ческой энергии, а излишки вырабатываемой электроэнергии передаются в городские электрические сети.

Реконструкция завода позволила практически полностью решить пробле­му с утилизацией ТБО, образующихся в Северо-Восточном административ­ном округе г. Москвы, сократить объем захоронения этих отходов на поли­гонах, а также количество перевозящих их мусоровозов и расход потребля­емого ими горючего и в результате улучшить экологическую обстановку в Москве.

Музоровозы, перевозящие ТБО на МСЗ № 2, по прибытии на завод взве­шивают на весах и проверяют на отсутствие (наличие) радиации. ТБО раз­гружают в бункер-накопитель объемом 39 тыс. м3 , находящийся в приемном отделении завода. Затем с помощью двух мостовых грейферных кранов отходы распределяют по бункеру-накопителю, перемешивают, удаляют из них крупногабаритные предметы, а также загружают в приемные воронки котлов. После загрузки ТБО в воронку котла питатель подает их на колос­никовую решетку. Через щели между колосниками поступает подогретый до температуры 170 °С первичный воздух, который необходим как для горения ТБО, так и для охлаждения колосников.

Шлак, образующийся в результате сгорания ТБО на колосниковой ре­шетке, подается на ленточном транс­портере в бункер-накопитель. По ходу движения из шлака отделяется черный металл, который идет потом на переработку. А такого металла получается немало - около 1,5 тыс. т в год! Из бункера-накопителя шлак в соответствии с разрешением ГУПР Министерства природных ресурсов по г. Москве увозят на полигон захо­ронения ТБО, принадлежащий ГУП «Экотехпром».

В настоящее время на заводе за­вершается строительство цеха по переработке золошлаковых отходов с использованием отечественной технологии. После запуска этого цеха технология обезвреживания ТБО станет безотходной.

В результате утилизации тепла уходящих газов, образующихся при сжигании ТБО, от одного котла полу­чают перегретый пар со следующими характеристиками: давление - 15 атм, t - 240 °С, объем - 15 т/ч, который направляется на турбоэлектрогене-раторы. На заводе их всего три, каждый мощностью 1,2 МВт. Треть вырабатываемой электрической энергии идет на собственные нужды завода, а остальной объем переда­ется в сети Мосэнерго. Пар с давле­нием 6 атм направляется на нужды завода, остальной пар - в аэрокон­денсаторы, где конденсируется и также используется в производствен­ном цикле завода.

Как известно, при сжигании ТБО образуется ряд вредных веществ: оксиды азота (N 0 x), оксиды серы (S 0 x) , оксиды углерода (СО), хлори­ды и фториды водорода (HCI , HF), диоксины и фураны. Поэтому в со­став технологического оборудования мусоросжигательных заводов должны быть включены системы пылегазоу-лавливания, обеспечивающие сниже­ние содержания вредных веществ в дымовых газах до требуемых норм. МСЗ № 2 - первое в России пред­приятие, на котором существует многоступенчатая система газоочис­тки, соответствующая требованиям европейских стандартов по выбросам вредных веществ с дымовыми газа­ми, принятым для установок сжигания ТБО.

Мусоросжигательный котел поми­мо утилизации тепла выполняет функции первой ступени очистки дымовых газов. Известно, что кон­центрация образующихся при сжига­нии ТБО диоксинов и фуранов в значительной степени снижается, если дымовые газы находятся в зоне с температурой > 850 °С не менее 2 секунд. В этих целях в полурадиаци­онной части котла за счет оптимиза­ции режима горения ТБО поддержи­вается температура 850-950 "С и обеспечивается необходимое время пребывания дымовых газов. Техноло­гическое оборудование для очистки дымовых газов в мусоросжигатель­ных котлах завода (за исключением М0 x), было поставлено в комплекте с основным оборудованием французс­кой фирмой CNIM . Для очистки газов от М0 x используется отечественная технология, разработанная и запатентованная Российским государс­твенным университетом нефти и газа им. И.М. Губкина.

МСЗ № 2 расположен в черте го­рода, в зоне жилой застройки, поэ­тому Департамент природопользова­ния и охраны окружающей среды Правительства Москвы установил лимит по выбросам, соответствую­щий концентрации М0 x в дымовых газах - 50-70 мг/м³ . А это значитель­но ниже европейских норм.

Как показали результаты исследо­ваний и промышленного внедрения процессов некаталитического восста­новления NO (CHKB), выполненных в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, в мусоросжигательных котлах при использовании этого способа очист­ки возможно снижение содержания N0 до 70-90 %. Процесс СНКВ про­текает при температуре 900-1 000 °С, не требует применения катализатора, не зависит от содержания оксидов серы и степени запыленности газов. Для достижения максимальной сте­пени восстановления N0 необходимо не менее 0,5 с. В качестве восстано­вителя оксидов азота могут исполь­зоваться различные аминосодержащие соединения, например аммиак или карбамид.

Для технологической схемы очис­тки для МСЗ № 2 ГУП «Экотехпром» был выбран экологически безопас­ный карбамид. Восстановление N0 в этом случае происходит в соответс­твии с уравнением реакции: 4 NO + 2 CO (NH²)² + 0² = 4 N² + 2С0² + 4Н² 0.

Твердый карбамид из хранилища с помощью винтового питателя посту­пает в емкость для приготовления раствора, куда одновременно пода­ется химически очищенная вода. Приготовленный 40%-ный раствор карбамида автоматически по сигналу датчика уровнемера перекачивается в рабочие емкости, затем насосами-дозаторами подается в смесители, где смешивается с паром. Полученная восстановительная смесь через спе­циальную распределительную систе­му вводится в расчетную зону топоч ной камеры мусоросжигательных котлов. Следует сказать, что процесс восстановления N0 карбамидом в случае перерасхода восстановителя, неэффективного смешения его с ды­мовыми газами или снижения темпе­ратуры в зоне ввода восстановителя ниже оптимальных значений может сопровождаться проскоком непроре­агировавшего аммиака (NH³).

Содержание NH³ в очищенных газах регламентируется и в соответствии с международными нормами не должно превышать 10 мг/нм³ . Для контроля содержания N0 и МН³ в дымовых га­зах используются автоматические газоанализаторы GM 31 фирмы Sick Maihak GmbH (Германия). Эти прибо­ры основаны на оптоэлектронном принципе измерений, позволяющем одновременно определять содержа­ние каждого компонента в режиме реального времени непосредственно в газовом потоке. Контроль и регули­рование процесса очистки дымовых газов от оксидов азота осуществля­ются с помощью автоматизированной системы управления

Система очистки работает на оте­чественном оборудовании, в качестве восстановителя используют гранули­рованный карбамид (ГОСТ 2081-92).

При температуре порядка 850 °С степень очистки со­ставляет около 60 %, с увеличением температуры до 900 °С она возраста­ет до 70 % и достигает максимальных значений на уровне 80-85 % при температуре 970-990 °С. Концентра­ция аммиака в очищенных газах при температуре выше 900 °С, характер­ной для штатного режима работы мусоросжигательных котлов, не пре­вышает 10 мг/нм³ и составляет, как правило, 3-5 мг/нм³ .

Опыт эксплуатации системы очис­тки показал, что она полностью справляется с поставленной задачей и обеспечивает поддержание концен­трации N0 в дымовых газах на уров­не 60-90 мг/нм³ (для сравнения: европейские нормативы по содержа­нию оксидов азота в дымовых газах мусоросжигательных котлов состав­ляют 200 мг/нм³).

Внедрение отечест­венной технологии очистки на МСЗ № 2 позволило сэкономить за счет замещения импортной технологии около 3,5 млн долл.

Очистка дымовых газов от других загрязнителей осуществляется сле­дующим образом. За счет попере­менного изменения направления движения дымовых газов в котле на 180° (вниз - вверх) частично выделя­ется летучая зола, которая поступает в систему золоудаления. Из котла дымовые газы направляются на следующую ступень газоочистки - в реактор, предназначенный для очис­тки газов от кислых компонентов: S 0² , HCI , HF . По ходу движения ды­мовых газов к реактору в них вводит­ся мелкодисперсный активированный уголь для связывания диоксинов, фуранов и солей тяжелых металлов. В реакторе в результате взаимодействия известкового молока с кислыми компонентами происходит процесс их нейтрализации.

После реактора дымовые газы поступают в рукавный фильтр «им-пульсно-струйного» типа, где проис­ходит улавливание летучей золы, пыли и продуктов газоочистки (каль­циевых солей, образующихся при контакте дымовых газов с известко­вым молоком), а также активирован­ного угля с адсорбированными на нем компонентами. В дымовых газах после рукавного фильтра остается менее 10 мг/нм³ пыли.

После очистки в рукавном фильтре дымовые газы удаляются через ды­мовую трубу высотой 100 м. В этой трубе установлен газоанализатор, предназначенный для непрерывного контроля содержания вредных ве­ществ в дымовых газах (HCI , СО, 0² , пыль, S 0²). Содержание диоксинов и HF периодически замеряется цент­ром аналитического контроля Депар­тамента природопользования и охра­ны окружающей среды Правительства Москвы. Содержание HCI на выходе из дымовой трубы составляет менее 10 мг/нм³ , диоксинов и HF - не более 0,1 нг/нм³ и 1 мг/нм³ "соответственно и также не превышает европейских нормативов.

Таким образом, организация про­цесса сжигания ТБО и решение воп­росов экологической безопасности на МСЗ № 2 позволили обеспечить самые жесткие требования по выбро­сам загрязняющих веществ в атмос­феру.

Термические методы переработки отходов

Термические методы переработки и утилизации ТБО разделяют на три способа:

слоевое сжигание неподготовленных отходов в мусоросжигательных установках;

слоевое и камерное сжигание специально подготовленных отходов в виде гранулированного топлива (освобожденного от балластных составляющих и имеющего постоянный фракционный состав) в топках энергетических котлов или цементных печах;

пиролиз отходов, прошедших предварительную подготовку или без нее.

Все термические методы переработки и утилизации отходов помимо их обезвоживания направлены на получение энергии, а также твердого, жидкого или газообразного топлива при их пиролизе.

Сжигание предварительно не подготовленных отходов

Методы слоевого сжигания неподготовленных отходов в мусоросжигательных установках наиболее распространен и изучен. В этом случае помимо выполнения санитарно-гигиенических мероприятий можно получить тепловую или электрическую энергию, сократить до минимума расстояние между местом сбора отходов и мусоросжигательным заводом (МСЗ), значительно экономить земельные площади.

Однако при сжигании отходов выделяются твердые и газообразные отравляющие вещества, поэтому все современные МСЗ должны быть оборудованы высокоэффективными газоочистными устройствами, стоимость которых достигает 50 % общих капиталовложений на строительство МСЗ.

Технологическая схема термообезвреживания отходов на мусоросжигательном заводе приведена на рис. 4.

Рис. 4. Технологическая схема переработки отходов на мусоросжигательных заводах

1 - мостовой грейферный кран; 2 и З - мусорный и шлаковый отсеки бункера-накопителя; 4 - вентилятор первичного дутьевого воздуха; 5- станция гидропривода; 6- паровые калориферы-воздухоподогреватели; 7- шлакоизвлекатель; 8 - ленточные транспортеры для удаления шлака и золы; 9- дымосос; 10 - дымовая труба; 11- электростатический фильтр; 12- котел-угилизатор; 13- вентилятор вторичного воздуха; 14- загрузочный бункер; 15- растопочная горелка; 16 - колосниковая решетка; I - пар; II- вода; III- воздух; IV- шлак.

При поступлении на завод мусоровозы взвешивают на платформенных автоматических весах. Затем по эстакаде мусоровозы поступают для разгрузки в приемное помещение, оборудованное в виде холла с воротами. Несколько пунктов разгрузки предусматривают гравитационную выгрузку одновременно нескольких мусоровозов в бункер-накопитель. Мусор из бункера-накопителя частями забирает мостовой кран, оборудованный грейферным ковшом типа «Полип» вместимостью 5м 3 с гидроэлектрической системой управления. В приемном отделении поддерживается некоторое разряжение воздуха за счет забора из него дутьевого воздуха для поддержания процесса горения ТБО в котлоагрегатах, что предотвращает выброс неприятных запахов и пыли за пределы отделения. Мусор из приемного бункера подают в загрузочный желоб питателя печи котлоагрегата до определенной высоты. Емкость желоба образует буферный резерв питания печи. Образуемая таким образом колонна мусора обеспечивает герметичность между камерой горения и загрузочным бункером. Нижняя часть желоба защищена водяной рубашкой от перегрева в случае подъема пламени. Питатель распределяет мусор по колосниковой решетке, на которой сжигают мусор. Она является основным элементом печи (рис. 5).

Рис. 5 . Схема процесса горения в топке мусоросжигательного котла

1 - исходный мусор; 2, 3, 4, 5 - зоны, соответственно, выхода летучих продуктов, газификации, горения кокса и образования шлака; 6 - колосниковые валки; 7 - подрешетный бункер для сбора золы и просоров.

Имеется несколько видов колосниковых решеток. Наибольшее применение получило топочное устройство, оборудованное обратно переталкивающей колосниковой решеткой системы «МАРТИН» (Германия), шириной 3 м и наклоненной под углом 26 0 в горизонтальной плоскости. По ширине решетка имеет одну или несколько секций, каждая из которых состоит из 13 рядов чередующихся подвижных и неподвижных колосников. Схема устройства колосниковой решетки распределение зон горения мусора на ней показаны на рисунке 3.2.

Каждый второй колосник приводится в возвратно-поступательное движение общим устройством управления. Амплитуда возвратно-поступательного движения в направлении решетки снизу вверх составляет около 400 мм, а число циклов может плавно изменяться от 0 до 60 в 1 ч.

Перемещение колосников решетки существенно влияет на процесс сжигания слоя мусора, который при каждом цикле медленно перемешивается и раскладывается по поверхности. Часть горящей массы перемещается ко входу решетки, давая запал для вновь поступающей массы мусора. Таким образом, уже в начале решетки образуется интенсивное пламя, при котором все стадии сжигания – сушка, возгорание и сжигание – происходят одновременно.

Благодаря наличию сильного пламени в начале решетки газы, выделяющиеся на стадии сушки, смешиваются с очень горячими газами горения и сжигания.

Мусор, сжигаемый на решетке, постепенно перемещается вниз, постоянно перемешиваясь. Сжигание мусора завершается приблизительно на 2/3 длины решетки, а на оставшейся части мусор, превратившейся в шлак, постепенно охлаждается под действием подаваемого в топку воздуха.

В горящем слое на решетке системы «МАРТИН» не образуется «кратеров», что обеспечивает почти полное сгорание отходов.

Конструкция колосниковой решетки позволяет сжигать отходы с различной теплотой сгорания (3,5-10,5 МДж/кг) и большим (до 50 %) содержанием золы при высокой (более 400 кг/м 2 * ч) удельной производительности. Площадь колосниковой решетки каждого агрегата 20м 2 , номинальная производительность 8,33 т/ч при теплоте сгорания ТБО 6,3 МДж/кг. Гарантийный срок работы колосниковой решетки около 30 тыс.ч. Температура в топочном пространстве регулируется автоматически и составляет 800-1000 0 С, что обеспечивает выгорание твердых и газообразных горючих составляющих отходов.

Для обеспечения требуемого качества сжигания, т.е. для получения хорошо перегоревшего шлака, необходимо удалять его одновременно. Шлак составляет около 25 % по массе (4-5 т/ч) от общего количества сжигаемых отходов.

Для этого колосниковую решетку оснащают барабаном удаления шлака с регулируемой скоростью вращения, что позволяет и сглаживать толщину слоя мусора и шлака на решетке, а также удалять шлак в буккер шлакового экстрактора.

Горячий шлак падает в бункер, а затем в бак с водой, в котором охлаждается до 80…90 0 С. Из бака шлак удаляется толкателем, который проталкивает его в желоб, установленный с обратным уклоном. Конструкция желоба позволяет, с одной стороны, уплотнять удаляемый материал без риска закупорки рабочего сечения желоба, а с другой – стекать избыточной влаге. Таким образом, потери воды на гашение сводятся к минимуму, т.е. на испарение и на поглощение ее шлаком.

Далее охлажденный шлак по системе ленточных транспортеров проходит через виброполотно, с которого из шлака удаляют металлические частицы, для чего над ленточным транспортером устанавливают магнитный сепаратор, оборудованный мощным электромагнитом. Куски металла удаляют в специальные емкости, а освобожденный от металла шлак поступает по ленте в шлаковый отсек бункера-накопителя. Зола из под воздушного короба и из бункеров котла удаляется вместе со шлаком.

Для обеспечения процесса горения отходов подают воздух, нагнетаемый вентилятором первичного дутья через короб, установленный под решеткой и состоящий из нескольких отсеков или зон. Каждая зона подачи воздуха под решетку обеспечивает впуск определенного количества воздуха под решетку и в слой мусора для обеспечения горения; сбор и удаление мелких частиц, просеивающихся под решетку.

В нижней части в подрешеточной зоне установлены воронки асимметричной формы, которые предназначены для сбора и удаления просева.

Дополнительно воздух подается вентилятором вторичного дутья под высоким давлением через сопла, расположенные на передней и задней стенках камеры горения, для завершения окисления и полного сжигания газов в нижней части камеры сжигания.

Рассмотренная технология слоевого сжигания отходов направлена на санитарно-гигиеническое (огневое) обезвреживание ТБО с получением тепловой энергии, которую утилизируют через котел, установленный над колосниковой решеткой.

Возможно различное использование энергии: городское отопление; пар для промышленных установок; выработка электроэнергии для собственных нужд или для сбора в единую систему, а также их сочетание, например городское отопление плюс производство электроэнергии.

Выбор технологии обезвреживания и переработка ТБО методом сжигания предшествует детальное технико-экономическое обоснование схемы сбыта получаемой тепловой энергии, так как строительство МСЗ требует больших капиталовложений. Следует отметить, что строительство современных ТЭЦ (котельных) равноценной мощности (по производимой энергии) в 8-10 раз дешевле.

Оптимальная схема сбыта вырабатываемой энергии – на нужды централизованного теплоснабжения. В это случае пар, вырабатываемый МСЗ, можно использовать для подогрева сетевой воды в специальном дополнительном подогревателе, установленном после основных подогревателей. В теплое время года пар от МСЗ частично вытесняет пар теплофикационных отборов, а в холодное время года, когда нагрузка районов превышает мощность теплофикационных отборов, восполняет часть пиковой нагрузки. Возможно также параллельное (по воде) включение тепловых магистралей ТЭЦ и МСЗ, когда подогреватели компонуют на МСЗ. В этом случае температурные графики ТЭЦ и завода совпадают. По другим схемам подогреватель МСЗ включен последовательно с основным и пиковыми подогревателями ТЭЦ, что применимо в условиях, когда МСЗ расположен вблизи транзитной магистрали ТЭЦ. Наиболее простая схема включения тепловых сетей МСЗ – установка подогревателя последовательно на обратной линии теплосетей ТЭЦ.

Пиролиз отходов

Как показывает практика переработки ТБО на МСЗ, наиболее перспективен способ обезвреживания ТБО в две ступени: аэробное биотермическое компостирование органической части ТБО (биотермический метод) с получением компоста – ценного органического удобрения, или биотоплива; пиролиз некомпостируемой части бытовых отходов (НБО), включающих резину, кожу, пластмассы, дерево и т.д.

Под пиролизом понимают процесс термического разложения отходов без доступа кислорода, в результате которого образуются пиролизный газ и твердый углеродистый остаток. Количество и состав продуктов пиролиза зависит от состава отходов и температуры разложения.

Пиролиз НБО способствует созданию безотходных и малоотходных технологий и рациональному использованию природных ресурсов.

Пиролизные установки в зависимости от температурного режима процесса разделяют:

на низкотемпературные (450…500 0 С), характеризующиеся минимальным выходом газа, максимальным количеством смол, масел и твердых остатков;

среднетемпературные (до 800 0 С), характеризующиеся увеличенным выходом газа с уменьшенным количеством смол и масел;

высокотемпературные (свыше 800 0 С), характеризующиеся максимальным выходом газов и минимальным количеством смолообразных продуктов.

Процесс пиролиза НБО состоит: из пиролиза НБО в печи с внешним обогревом; дожига пиролизных газов; утилизации тепла отходящих газов в котле-утилизаторе с получением пара; очистки дымовых газов от пыли и химических примесей в пенном абсорбере; сушки абсорбционных растворов в распылительной сушилке; охлаждения пирокарбона в барабане-холодильнике; сепарации черного и цветного металла из пирокарбона; сепарации камней из пирокарбона; измельчения пирокарбона в конусной инерционной дробилке; фасовки пирокарбона в мешки и складирования.

Основной узел пиролизной установки - реактор, представляющий собой шахтную печь со встроенной швельшахтой и системой эвакуации газов, предотвращающей смешивание пиролизных и дымовых газов (рис. 6)

Рис. 6. Схема установки высокотемпературного пиролиза:

1 - приемная воронка; 2 - затворы; 3 - конденсатор жидких продуктов; 4 - дроссельные заслонки; 5 - вентилятор; 6 - газоанализатор; 7- дымосос; 8 - система газоочистки; 9- сопло подачи подогретого воздуха; 10 - воздухоподогреватель; 11 - водяная ванна: 12- швельшахта; I, II и III- направления движения соответственно конденсата, охлажденного воздуха и отходящих газов.

Из сортировочного отдела НБО по системе конвейерных транспортеров попадают в приемный бункер пиролизной установки, обеспечивающей двухсуточный запас хранения отходов для бесперебойной ее работы. Из бункера отходы забирают грейферным ковшом, смонтированным на подъемном кране грузоподъемностью 5 т. Кран подает отходы в промежуточный бункер, днищем которого служит пластинчатый питатель шириной 1,2 м и длиной 4 м, предназначенный для загрузки отходов в верхнюю часть реактора, оборудованную тремя затворами шиберного типа.

В печи пиролизной установки при температуре 500-550 0 С без доступа воздуха происходит термическая деструкция (пиролиз) НБО. В результате образуется парогазовая смесь, содержащая в своем составе летучие вещества, пары смолы и твердый углесодержащий продукт – пирокарбонат.

Для использования тепла горения углеводородов и перевода ряда химических веществ (меркаптан, сероводород, циановодород и т.д.) в безвредные элементы предусматривают их дожиг в специальной камере при температуре 100 0 С в потоке отходящих от печей пиролиза газов.

Камера дожига оборудована рубашкой, в которую поступает воздух, охлаждающий стенки камеры, в результате чего температура газов на выходе из камеры дожига снижается до 800 0 С. Воздух на горение и разбавление подают дутьевыми вентиляторами.

Дымовые газы из камеры дожига направляются в рубашку печи пиролиза, где тепло дымовых газов используется для обогрева печи. Из рубашки печи пиролиза дымовые газы температурой 600-700 0 С направляются для утилизации тепла в котел-утилизатор. В последнем в результате снижения температуры дымовых газов до 300-350 0 С получают пар, который в дальнейшем используют для нужд теплоснабжения производства. Затем дымовые газы температурой 300-350 0 С поступают на распылитель для сушки абсорбционных растворов, использованных в абсорберах, а оттуда с температурой 120 0 С - на абсорбцию и после очистки выбрасываются в атмосферу.

Полученный в печи пирокарбонат с температурой 450-450 0 С поступает в холодильный барабан, где охлаждается до 40-50 0 С, и по ленточному конвейеру подается на размол, предварительно пройдя электромагнитный сепаратор для извлечения остатков черного металла, и затем поступает на полигональное сито.

Проходя через полигональное сито, пирокарбонат освобождается от крупных камней, которые вывозят на свалку, и подается на мельницу, где измельчается до фракции 0,5мм и менее. После измельчения пирокарбонат вновь подают на сепарацию для извлечения цветных металлов, которые накапливают в контейнерах, а пирокарбонат направляют на расфасовку и затем на склад готового продукта.

Поступающие на установку отходы НБО более чем на 90 % состоят из органических веществ, в основной массе которых соотношение углерод: водород: кислород приблизительно соответствует их соотношению в целлюлозе.

Целлюлоза – высокомолекулярный полисахарид, эмпирическая формула которого (С 6 Н 10 О 5) n . Клетчатка – главная составная часть органической части отходов, например бумага почти на 100% состоит из целлюлозы; хлопчатобумажные и текстильные изделия – более чем на 90; древесина – примерно на 50% из целлюлозы.

При термической обработке целлюлозы (при отсутствии доступа кислорода) она разлагается, образуя большое количество различных продуктов.

Присутствующие в НБО кожа, пластмасса, резина и другие продукты разлагаются, образуя летучие вещества, которые помимо СО 2 и H 2 О, Сl, F, SO 2 содержат углеводороды (олефины, парафины и т.д.). Пиролизные газы подвергаются дальнейшему окислению в камере дожига при температуре 1100 0 С, превращаясь в менее опасные вещества. Тепло дымовых газов используется для проведения процесса пиролиза НБО, что уменьшает количество топлива, используемого со стороны.

К вредным составляющим НБО относят: серу, основным источником которой является резина; хлор, выделяющийся при сжигании полимерных материалов; оксиды азота; соединения фтора и т.д.

Для защиты окружающего атмосферного воздуха от загрязнений дымовые газы необходимо тщательно очищать как отзолы, так и от химических веществ. Наиболее высокие требования очистки дымовых газов предъявляют заводам, расположенным вблизи жилой застройки.