Раздел 15. Утилизация и обезвреживание твердых коммунальных отходов

Раздел 15 Утилизация и обезвреживание твердых коммунальных отходов

15.1 Общая информация о деятельности по утилизации и обезвреживанию твердых коммунальных отходов

Твердые коммунальные отходы - отходы, образующиеся в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами, а также товары, утратившие свои потребительские свойства в процессе их использования физическими лицами в жилых помещениях в целях удовлетворения личных и бытовых нужд. К твердым коммунальным отходам также относятся отходы, образующиеся в процессе деятельности юридических лиц, индивидуальных предпринимателей и подобные по составу отходам, образующимся в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами [1].

Твердые коммунальные отходы (далее - ТКО) могут содержать следующие компоненты: бумагу, картон; пищевые отходы; дерево; металл (черный и цветной); текстиль; кости; стекло; кожа; резина; камни; полимерные материалы, прочие (неклассифицируемые части); отсев (менее 15 мм). Сведения о морфологическом составе ТКО различных климатических зон представлены в таблице 15.1 [126, 127].

Таблица 15.1 - Морфологический состав ТКО для различных климатических зон, % массы

Компонент	Климатическая зона
	средняя	южная	северная
Пищевые отходы	30-37	37-45	29-36
Бумага, картон	37-41	23-32	26-36
Дерево	1-2	1-2	2-6
Черный металл	3-4	2-3	3-4
Цветной металл	1-2	1-2	1-2
Текстиль	3-5	3-5	4-6
Кости	1-2	1-2	1-2
Стекло	2-3	2-3	4-6
Кожа, резина	0,5-1	1	2-3
Камни	0,5-1	1	1-3
Пластмасса	5-6	5-6	5-6
Прочее	1-2	3-4	1-2
Отсев (менее 15 мм)	5-7	6-8	4-6

Морфологический состав ТКО постоянно изменяется, появляется больше твердых, неразлагаемых составляющих: стекло, керамика, металлы, резина, пластмассы; содержание легкоразлагаемой органики (пищевых отходов) в общей массе ТКО снизилось. Состав ТКО крупных городов России отличается большим содержанием упаковочных материалов (бумага, пластик, цветной металл) [126, 127].

В настоящее время ТКО в Российской Федерации преимущественно направляются на захоронение, которое может предваряться сортировкой с выделением утильных фракций и последующей их утилизацией.

Вовлечение утильных фракций твердых коммунальных отходов в хозяйственный оборот в качестве вторичных источников сырья и энергоресурсов дает экологический и экономический эффект, позволяет существенно уменьшить техногенную нагрузку на окружающую среду в условиях продолжающегося необратимого сокращения природных ресурсов [127].

Наиболее высокое качество утильных фракций достигается при организации раздельного накопления.

Основные данные по методам и технологиям утилизации твердых коммунальных отходов

Твердые коммунальные отходы перед их утилизацией и обезвреживанием как правило подвергаются сортировке, в том числе применяются баллистическая сепарация, воздушная, магнитная и электродинамическая сепарация.

Баллистическая сепарация позволяет разделять ТКО на три потока: легкие плоские фракции (пакеты, листы бумаги), тяжелые объемные фракции (пластиковые бутылки и т.п.) и отсев.

Воздушная сепарация позволяет отделить легкие фракции за счет их скорости перемещения в потоке воздуха.

Магнитная сепарация используется для удаления из смеси материалов, проявляющих магнитные свойства.

Электродинамическая сепарация используется для отделения цветных металлов [130]. Метод обработки измельчением ТКО, как правило, применяется перед компостированием или пиролизом отходов. Для измельчения ТКО, учитывая наличие в отходах частиц разного размера и твердости, используется универсальное оборудование типа шредера [129, 131].

Ручная сортировка отходов осуществляется с целью отбора определенных фракций, пригодных для последующей утилизации. При ручной сортировке со стола конвейера изымаются "полезные" компоненты. В итоге на конвейере остаются отходы, не подлежащие сортировке. При сортировке раздельно собранных отходов, представленных главным образом однородными материалами, удаляются примеси, и на конвейере остается только отсортированное вторичное сырье [127, 128].

При оптико-механической сортировке - компоненты ТКО распознают при помощи рентгеновского или инфракрасного излучения. Такой метод сортировки целесообразно применять для систем раздельного накопления отходов. В этом случае он позволяет обеспечить высокий процент отбора фракций, высокую степень чистоты извлечения материалов с высокой производительностью [129, 130].

Прессование (сжатие, укатывание, трамбование, виброуплотнение или сочетание перечисленных методов) используется при обработке ТКО как непосредственно в местах их сбора, так и в процессе их транспортировки и переработки.

Сушка - процесс удаления влаги из отходов путем ее испарения и отвода образующихся паров. При сушке в виде пара удаляется легколетучий компонент (вода, органический растворитель и т.д.), что обеспечивает более высокие физико-механические характеристики получаемых продуктов [129, 131].

Сведения о термических методах (технологиях утилизации и обезвреживания ТКО путем сжигания) представлены в справочнике НДТ ИТС 9-2020 "Утилизация и обезвреживание отходов термическими способами" [84].

Одним из методов утилизации ТКО является производство твердого топлива из ТКО. Твердое топливо из ТКО используется в качестве полного или частичного замещения основного вида топлива, например, для цементной промышленности, в энергетических установках.

Твердое топливо из ТКО получают путем измельчения, сепарации и обезвоживания предварительно отсортированных твердых коммунальных отходов. Твердое топливо из ТКО может использоваться в измельченном состоянии или в виде спрессованных брикетов.

Содержание опасных веществ (хлор, ртуть) в твердом топливе из ТКО должно строго контролироваться и не превышать допустимых норм [132, 133].

ГОСТ Р 55133-2012 "Системы менеджмента качества. Частные требования для их применения при производстве топлива твердого топлива из бытовых отходов" устанавливает требования к системе менеджмента качества для производства твердого топлива из бытовых отходов от получения отходов до поставки твердого топлива из бытовых отходов [134].

15.2 Технологические, технические решения и системы менеджмента, используемые в настоящее время в области утилизации и обезвреживания твердых коммунальных отходов

Основным направлением утилизации и обезвреживания ТКО, представляющих собой смесь материалов является метод сжигания или пиролиза. Сведения о технологиях утилизации и обезвреживания ТКО путем сжигания представлены в справочнике НДТ ИТС 9-2020 "Утилизация и обезвреживание отходов термическими способами".

Утилизация ТКО с целью получения твердого топлива из ТКО базируется на физических методах [84, 133].

Утилизация отдельных фракций ТКО базируется на сортировке ТКО.

15.2.1 Методы сортировки твердых коммунальных отходов

Различают ручную и автоматизированную сортировку.

При ручной сортировке распознавание нужных материалов производится персоналом визуально, а отбор осуществляется вручную. Традиционная схема сортировки отходов выглядит следующим образом: отходы по подающему конвейеру поступают в кабину сортировки, где при их движении по сортировочному конвейеру рабочие постов отбора выделяют тот или иной вид вторичного сырья. В качестве механической подготовки отходов могут использоваться вращающийся грохот, динамический сепаратор и другие устройства, обеспечивающие предварительный разрыв и ворошение пакетов, отделение мелкой фракции. При помощи магнитного и электродинамического сепараторов отделяются черные и цветные металлы соответственно.

Линии автоматизированной сортировки значительно облегчают ручной труд, однако распознавание интересующих компонентов, как правило, выполняется человеком. На линиях полностью автоматической сортировки материалов весь процесс сортировки отходов, а именно идентификация отбираемых материалов и их выделение из общего потока, происходит без участия персонала. Как правило, в основе технологии линий автоматической сортировки лежит использование сенсоров оптического определения материалов путем облучения потока излучением с определенными длинами волны и последующего спектрального анализа отраженного от поверхности материала излучения или интенсивности и спектра рентгеновских лучей, прошедших сквозь образец.

ТКО равномерно подается по транспортеру к области работы сенсоров. На поверхность отходов воздействуют излучением с определенной длиной волны. Распознавание производится с помощью сравнения спектра отраженного от поверхности отхода светового сигнала с уже имеющимся спектром в базе данных системы [130], [135, 136]. В конце транспортера расположены пневмомодули, снабженные рядом пневмодюз. После распознавания определенного компонента через расчетное время открываются необходимые дюзы, и компонент отстреливается из потока с помощью сжатого воздуха. Таким образом, из потока материалов можно выделить две или три фракции [130, 136]. Принцип работы оборудования представлен на рисунке 15.1.

1 - подача несортированных материалов; 2 - спектросканер; 3 - разделительная камера

Рисунок 15.1 - Сортировка материалов с помощью сенсоров [135]

Утильные фракции подвергают механической обработке, включающей измельчение, прессование, брикетирование и другие методы и их комбинации.

Измельчение - процесс уменьшения размеров частиц твердого тела до требуемых размеров путем механического воздействия. При дроблении ТКО используют только ударную технологию и технологию среза. Ударная технология реализована в конструкциях молотковых и роторных дробилок, технология среза - в конструкциях шредеров.

Прессование - процесс обработки отходов давлением, производимый с целью увеличения их плотности и уменьшения объема. Прессование отходов обычно выполняется с использованием мобильных пресс-компакторов или пресс-контейнеров.

Брикетирование - прессование отходов в куски однородного состава и геометрически правильной формы, так называемые брикеты. Для брикетирования обычно применяются специальные механизированные комплексы, состоящие из измельчителей (дробилок), уплотнителей - брикетирующих установок и, в отдельных случаях, упаковочных машин [130, 136].

15.2.2 Технология производства твердого топлива из ТКО

Согласно "ГОСТ 33564-2015 Топливо твердое из бытовых отходов. Термины и определения" топливо твердое из бытовых отходов определено как твердое топливо, подготовленное из неопасных отходов и предназначенное для выработки энергии на мусоросжигательных фабриках (установках) или фабриках (установках) попутного мусоросжигания. Подготовленное - здесь значит переработанное, гомогенизированное и улучшенное до показателей качества, принятых у изготовителей и потребителей.

Технология производства твердого топлива из ТКО может включать следующие технологические операции:

- сортировка;

- измельчение, дробление;

- сепарация (немагнитных материалов и сепарация магнитных материалов, гравитационная сепарация или оптическая сепарация);

- просеивание;

- сушка;

- гомогенизация и уплотнение (грануляция, брикетирование).

На рисунке 15.2 схематично представлена технология производства твердого топлива из ТКО [132, 133].

Рисунок 15.2 - Схема технологии производства твердого топлива

Классификация твердого топлива из ТКО и его основные технические характеристики установлены ГОСТ 33516-2015 "Топливо твердое из бытовых отходов. Технические характеристики и классы" [137]. Классификация твердого топлива из ТКО производится в зависимости от значений следующих показателей:

- среднеарифметическое значение низшей теплоты сгорания (Q);

- среднеарифметическое значение содержания хлора (CI);

- среднеарифметическое и 80-процентильное значение содержания ртути (Нg).

Потребители твердого топлива из отходов могут устанавливать дополнительные и/или более жесткие требования, чем указаны в ГОСТ 33516-2015.

15.2.3 Технология компостирования

Компостирование - аэробный процесс, в ходе которого кислород реагирует при определенных условиях с органическими материалами, образуя CO ₂, воду и гумусовые соединения.

Существуют две системы компостирования:

- открытое (буртовое) компостирование;

- закрытое компостирование.

Открытое буртовое компостирование предусматривает укладку отходов в бурты высот ой от 1,80 до 3,00 м. Возможная форма буртов: треугольная, трапецеидальная или плоская. Средняя длительность процесса гниения органических отходов около 10-60 недель.

Известны технологии компостирования отсева, полученного при сортировке ТКО, и иных органических биоразлагаемых отходов в климатической камере, которая проводится с использованием специального укрывного материала - полупроницаемой мембраны из многослойного пластика. Мембрана позволяет существенно снизить эмиссии продуктов разложения органических отходов в окружающую среду. Типичный процесс под укрывным материалом длится восемь недель, разделенных на три фазы. Вылеживающийся материал на четыре недели остается в фазе I ("интенсивное компостирование"), затем две недели в фазе II ("созревание") и две недели в фазе III ("дозревание"). В течение этих восьми недель три раза проводится ворошение. Покрытие буртов присутствует в фазах I и II. Установленные в бурте измерительные зонды контролируют снабжение кислородом и температуру реакции и регулируют продолжительность вентиляции. Условия компостирования обеспечивают защиту окружающей среды от механического распространения компонентов компостируемого субстрата по прилегающей территории и обеспечивает независимость компостирования от климатических факторов.

Благодаря мембране исключается доступ к компостируемому субстрату насекомых, животных и т.п. Технологией предусмотрен контроль и автоматизация принудительной аэрации, обеспечивающей поддержание уровня кислорода в компостируемой смеси. Равномерное распределение кислорода и влаги по объему бурта обеспечивается избыточным парциальным давлением кислорода за счет полупроницаемой мембраны и регулярного нагнетания воздуха.

Технологией также предусмотрен автоматический контроль температуры, для подтверждения достижения и поддержания температуры 80 °С для обеззараживания компостируемой массы.

Производственный цикл обезвреживания отходов определяется температурными условиями проведения процесса и может составить для целей обезвреживания 28-56 дней. Для получения качественного компоста требуется более длительный период времени.

Закрытое компостирование

Цеховое компостирование (в плоских буртах) проводится в помещениях. Отходы закладываются на компостирование в виде непокрытых плоских буртов в закрытых помещениях. Увлажнение происходит непрерывно через спринклерные системы и/или периодически при перемешивании. Аэрация буртов производится вытяжным способом. Воздух из цеха очищается в биологическом фильтре.

Туннельное компостирование. Разложение органических отходов происходит в полностью закрытом туннеле с подвижным днищем. Отходы непрерывно перемешиваются с деаэрацией и увлажнением в зависимости от степени гниения. Отработанный воздух отводится и очищается.

Боксы/контейнеры. Система работает в режиме загрузки разгрузки со стационарным или передвижным днищем. Аэрация происходит через перфорированное днище, отработанный воздух отсасывается и очищается. По аналогии с туннельным способом интенсивный процесс длится 8-10 суток.

Горизонтальные вращающиеся барабаны (биобарабаны). В системе используются перфорированные вращающиеся чаны или барабаны. Данный метод обеспечивает хорошую гомогенизацию и механическое расщепление отходов.

Для получения компоста высокого качества необходимо устранить попадание в готовый продукт вредных веществ из состава ТКО. Для этого органические биоразлагаемые отходы следует собирать раздельно и подвергать предварительной механической обработке перед компостированием (отделение примесей и металлов, измельчение).

В результате компостирования происходит стабилизации отходов, что позволяет уменьшить вес и объем обезвреженных органических отходов из отсева ТКО. При использовании закрытых и утепленных вертикальных биореакторов объем органической части отходов уменьшается до 70 % от изначального, а в случае использования полевого компостирования - до 40 % [138].

15.2.4 Технология сбраживания органических отходов, собранных раздельно или выделенных при сортировке ТКО

Сбраживание органических отходов представляет собой анаэробный процесс разложения органических веществ.

Различают два основных температурных режима сбраживания: мезофильное (диапазон температур до + 35 °C) и термофильное (диапазон температур до + 55 °C). Сбраживание может осуществляться в накопительных установках (длительность процесса от 18 до 21 дня) и в проточных установках (время процесса 1-5 дней).

Установки для сбраживания органических отходов подразделяются на мокрые (содержание сухих веществ до 15 % ) и сухие (содержание сухих веществ от 20 до 40 %) процессы ферментации, мезофильные (диапазон температур до + 35 °C) и термофильные процессы (диапазон температур до + 55 °C). Установки для сбраживания органических отходов также подразделяются на накопительные и проточные, время осуществления процессов сбраживания в которых составляет от 18 до 21 дня для накопительных и 1-5 дней для проточных установок.

В результате процесса сбраживания получается биогаз и остатки брожения.

Свойства биогаза: плотность 1,22 кг/м ³; теплотворная способность 4,5-6,5 /м ³; содержание метана 55-65 % (55-75 % в случае проточных установок); содержание углекислого газа 35-45 %.

Остатки сбраживания возможно использовать в сельскохозяйственных целях как удобрение при подтверждении соответствия установленным требованиям, установленным, например, ГОСТ 33380-2015 "Удобрения органические. Эффлюэнт. Технические условия".

15.2.5 Технология сушки органических отходов, собранных раздельно

Собранные раздельно органические отходы (пищевые отходы) подвергаются сушке с получением продукции (кормовые добавки, удобрение, биотопливо). Сушка осуществляется в герметично закрытой камере, в которой производится одновременно перемешивание и нагрев загруженных отходов до 100 °С. Образующийся пар удаляется из камеры в конденсатор, где происходит его частичная конденсация, избыток пара возвращается в камеру для поддержки влажности отходов, конденсат выводится из конденсатора. При остаточной влажности продукта от 5 до 10 % происходит прекращении поступления пара в конденсатор, установка автоматически отключается. Время обработки (8-10 часов или 24 ч в зависимости от модели оборудования, влажности отходов), температура обеспечивают стерилизацию продукции.

По окончании процесса сухая стерильная масса выгружается из камеры. Выгрузка продукции осуществляется через окно выгрузки, при запуске соответствующего автоматического режима, в любую подходящую емкость/мешок. Одновременно можно взять образцы отработанного остатка для проведения лабораторных исследований.

Герметичная камера и замкнутый контур циркуляции паровоздушной смеси обеспечивают отсутствие выбросов, испарений и запаха. В течение процесса выводится конденсированная вода, которую можно собирать в емкость или отводить в систему канализации.

15.3 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссий в окружающую среду при утилизации и обезвреживании твердых коммунальных отходов

Текущие уровни потребления в процессах обезвреживания и утилизации ТКО определяются применяемыми технологическими процессами. Уровень потребления энергоресурсов и водных ресурсов также зависит от морфологического состава ТКО.

Основными экологическими проблемами, возникающими при утилизации ТКО, являются:

- обращение с веществами, опасными для окружающей среды;

- санитарно-эпидемическая опасность ТКО;

- выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух на всех этапах утилизации;

- пожароопасность (для отходов, обладающих пожароопасными свойствами, или выделяющими пожароопасные вещества при хранении).

В ходе механических и физических методов обработки ТКО производится выброс загрязняющих веществ в атмосферный воздух от дробилок и измельчителей. Физическими факторами воздействия являются шум измельчителей и дробилок.

В ходе биологической утилизации ТКО и его органической фракции (компостирование) возможны выбросы в атмосферу, сбросы сточных вод и образование отходов. Применение закрытого компостирования позволяет обеспечить организацию выбросов загрязняющих веществ с последующей очисткой отходящих газов. Применение "климатической камеры" позволяет снизить эмиссии в атмосферный воздух.

Процесс сбраживания отходов направлен на аккумуляцию и использование образующегося биогаза и использование остатков сбраживания в качестве удобрения. При этом эмиссии в атмосферный воздух минимизированы, возможность использования остатка сбраживания определяется качеством собранных отходов.

Процесс сушки раздельно собранных пищевых отходов характеризуется отсутствием эмиссий в атмосферный воздух, образованием конденсата, который в виде сточных вод подлежит сбросу в канализацию. Образование отходов при сушке зависит от качества собранных отходов, наличия в них непищевых компонентов.