способ утилизации твердых бытовых отходов

Формула изобретения

1. Способ утилизации твердых бытовых отходов, отличающийся тем, что твердые бытовые отходы погружают в бассейн с известковым молоком, в котором поддерживается щелочная среда с рН 8,5-8,65 и температура 20-70°С, по истечении 5-8 ч извлекают из бассейна, дают обтечь жидкости и сортируют по компонентам, часть раствора с осадком постоянно выводят на переработку известными способами, а органическую часть твердых бытовых отходов компостируют.

2. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве химического реагента используют калий-, натрий- и аммонийсодержащие соединения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в бассейне твердые бытовые отходы продувают озоном.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам переработки твердых бытовых отходов (ТБО) и может быть использовано в коммунальном и сельском хозяйстве.

Защита окружающей среды - многофакторная проблема городов. Каждый из факторов (транспорт, промышленные предприятия, свалки и др.) представляет из себя значительный источник экологической опасности для населения. Так, специалисты оценивают выбросы от транспорта на 70% от всех загрязнений воздушного бассейна. Причем необходимо заметить, что транспорт загрязняет только воздушную окружающую среду.

Однако нельзя оценить, какой суммарный вред относительно общего приходится на свалки бытового мусора, которые загрязняют воздушную среду (от самовозгорания и интенсивного выделения вредных летучих веществ, в т.ч. диоксинов и фуранов), подземные водоемы (от проникновения с атмосферными осадками болезнетворных микроорганизмов, продуктов разложения и гниения пищевых отходов) и почву, заражая и омертвляя ее на многие годы. Он весьма значительный, тем более, что зона его воздействия на природу непрерывно расширяется из-за отчуждения и предоставления дополнительных площадей под все больше увеличивающееся количество бытовых отходов, от переноса отходов в другие места птицами и беспризорными животными.

Следовательно, ликвидация свалок бытового мусора и их значительного пагубного влияния на окружающую природную среду - первейшая и основная задача.

Некоторые, известные до настоящего времени специалистам методы обезвреживания отходов либо не решают основную задачу, либо для этого требуются огромные ресурсы и средства. Так, одни из них по своему технологическому процессу способны выделять вторичные вредные и отравляющие вещества, а поэтому не являются обезвреживающими (компостирование, пиролиз).

Другие - весьма энергозатратные (сжигание в «шлаковом расплаве», плазменное сжигание), из-за чего они являются дорогостоящими не только по капитальным затратам, но и по эксплуатационным расходам, а поэтому предприятия, основанные на них, не могут существовать без значительных дотаций из городского бюджета.

В этой связи особо следует отметить принципиальные недостатки технологии «ПИРОКСЕЛ» (ВНИИЭТО, г. Москва), настойчиво навязываемую авторами для сжигания бытовых отходов. Эта технология включает в себя две стадии термической переработки бытового мусора: пиролиз и сжигание в шлаковой ванне.

Первая стадия - пиролиз к бытовым отходам вообще не применим, так как поскольку он осуществляется при недостатке кислорода (т.е. при коэффициенте избытка воздуха <1), то из хлор- и фторсодержащих компонентов - резины, пластмассы, полимеров, которых в общей массе мусора около 6,5%, выделяются весьма опасные и ядовитые вещества (диоксины, фураны, фосген и др.), которые непосредственно поступают через слой свежего мусора в окружающую среду.

Вторая стадия - сжигание бытовых отходов в шлаковой ванне, хотя и происходит при высокой температуре (2000-2100°С), однако поступающий после пиролиза мусор пред тем, как погрузиться в жидкий шлак, на поверхности жидкости термически разлагается, выделяя значительные количества вредных и ядовитых веществ, которые нигде не нейтрализуются. Кроме того, эта стадия энергозатратная, т.к. нет никакого смысла плавить всю остальную массу мусора (93,5%) при высокой температуре, не содержащую хлора и фтора.

В целом технология «ПИРОКСЕЛ», заимствованная из металлургического производства, к бытовым отходам абсолютно не приемлема.

В большинстве стран мира (Германия, Франция, Дания, Швеция, Япония, США, Англия и др.) самым рациональным, простым и распространенным методом признано мусоросжигание в топочных устройствах специальных котлоагрегатов, что по существу предполагает использование бытового мусора в качестве топлива. Однако применяемые в указанных странах технологические процессы сжигания бытовых отходов не предусматривают безотходности, а поэтому не решают основную задачу - ликвидацию свалок.

Поэтому наблюдающееся сейчас стремление иностранных фирм навязать российским городам свои технологии, проектировать и строить мусоросжигательные и другие (например, по брикетированию бытовых отходов и захоронению брикетов на той же свалке или на полигоне) предприятия, является весьма негативным явлением настоящего времени. Цель - распространение своего влияния на российском рынке, даже с помощью своих денег. Однако и этот опыт мы имеем. К сожалению, он весьма отрицательный. Так, в 1975-1985 г. у нас (в России и на Украине) были запроектированы и построены 10 мусоросжигательных заводов по заимствованной за рубежом довольно примитивной и дотационной из городских бюджетов технологии. Причем они в своих городах не решили проблему ликвидации свалок. Это были закупленные за рубежом заводы (в Чехословакии, Дании и Франции). В настоящее время большинство этих мусоросжигательных предприятий работают только на 50% по производительности, а часть из них вообще остановлены из-за отсутствия дотационного финансирования и запасных частей.

(О техническом решении проблемы обезвреживания твердых бытовых отходов и ликвидации свалок в г. Липецке. OOO «ТЭПэнерго». В.Р.Пурим, Н.Н.Тимакова. М., 1999).

К недостаткам технологии сжигания мусора следует также отнести высокие капитальные затраты на строительство.

Таблица 1 Капитальные вложения в строительство современных мусоросжигательных заводов
Страна	Город	Год пуска	Производительность, тыс.т/год (установл).	Стоимость завода «под ключ», млн. долл.	Удельные капиталовложения, долл./т
Нидерланды	Вистер	1993	720	300	417
США	Сев. Каролина, округ Макленбург, г. Шарлотта	1992	150	92	613
Канада	Монреаль	1993	600	223	372
ФРГ	Карнап	1987	600	280	464
ФРГ	Бонн	1991	210	150	715
Пуэрто-Рико		1991	300	82	273
Средние для США по оценке комиссии конгресса		1993	200 500	89,8 200	450 400
Россия	г. Новокузнецк, Кемеровской обл.	1996	262,8	50	190,3

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату в отношении уничтожения диоксинов и фуранов является способ переработки твердых бытовых и мелкодисперсных промышленных отходов, по которому переработку ТБО осуществляют в кальцийсодержащем шлаковом расплаве (патент RU 2208202 C2, кл. 7 F 23 G 5/00, 5/32, 2001).

Недостатками известного способа являются:

- сложность аппаратурного оформления;

- высокая энергоемкость;

- высокие удельные капитальные затраты (около 150 USD/т годовой производительности по ТБО).

Целью изобретения является снижение удельных капитальных и текущих затрат на утилизацию ТБО при достижении экологической безопасности технологии.

Поставленная цель достигается тем, что:

- ТБО погружают в бассейн с известковым молоком, в котором поддерживается щелочная среда с рН 8,5-8,65 и температура 20-70°С, по истечении 5-8 часов ТБО извлекают из бассейна, дают обтечь жидкости и сортируют по компонентам, часть раствора с осадком постоянно выводят на переработку известными способами, а органическую составляющую ТБО компостируют;

- в качестве химического реагента используют калий-, натрий- и аммонийсодержащие соединения;

- в бассейне ТБО продувают озоном.

Органическая составляющая (пищевые отходы) после обработки химическими реагентами и окислениями представляет собой экологически чистое удобрение с широким диапазоном использования.

При разработке технологий переработки ТБО установлено, что в своем составе они содержат опаснейший класс веществ - галоидированные диоксины и диоксиноподобные вещества (ДО).

ДО - это супертоксиканты - особо вредные и опасные продукты синтетической химии, побочные продукты ряда химических производств и попутные микровыбросы промышленности и хозяйственной деятельности человека. ДО - практически нигде не упоминающийся до 90-х годов в учебной и научной литературе класс опаснейших веществ. В отличие от простейших диоксинов галоидосодержащие диоксины (ДО) представляют собой хлорированные или бромированные бензольные кольца, соединенные кислородными мостиками. Это так называемые полихлордибензодиоксины и полихлордибензофураны и соответственно полибромдибензодиоксины и полибромдибензофураны. Особую опасность ДО представляют в связи с тем, что, несмотря на свою нерастворимость в чистой воде и чистом воздухе, ДО великолепно растворяются в воде, содержащей гуминовые кислоты или фульвокислоты из почвенного гумуса ввиду их высокой способности к комплексообразованию с составными частями гумуса. С аэрозолями воздуха ДО образует комплексные соединения и благодаря их высокой способности к прилипанию они хорошо переносятся не только по земле, но и по воздуху. В почве ДО разлагаются в течение 20-30 лет и более, в воде разложение ДО длится от 2-х лет и более (Л.А.Федоров. «Диоксины, как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы». М.: Наука, 1993, 267 с.).

В химической промышленности главным источником поступления ДО в сферу обитания является производство хлор- и бромсодержащих препаратов. Наблюдается рост загрязнения ДО вследствие беспрепятственного переноса их по многим пищевым цепям, особенно продуктам мясного и молочного характера.

В последние годы типичным источником заражения галоидированными ДО природной среды кроме названных производств является низкотемпературное сжигание ТБО. Специальные испытания ряда зарубежных специалистов показали, что ДО устойчивы к воздействию высокой температуры. Более того, при температуре 800°С происходит образование бромсодержащих ДО, а не их разрушение.

Изучению условий образования и разложения диоксинов и фуранов (Ф) при сжигании отходов посвящено большое количество работ, в результате которых было установлено, что диоксины и фураны плохо разлагаются вплоть до температуры 750°С и практически полностью разлагаются при температуре более 1000°С (Химия твердого топлива, № 4, 1995, стр.67-72). По другим данным для полного разложения диоксинов и фуранов достаточна выдержка при температуре 1000-1100°С в течении 3-х секунд (J.Jap. Soc. Safety Eng., 1988, № 6, р.336-343 и ID: Environ. et Techn., 1989, № 89, р.28, 30).

Образование диоксинов в дымовых газах наиболее интенсивно происходит при их выдержке при температурах около 300-400°С (Chemosphere, 1987, 16, № 8-9, р.1917-1922).

По данным ОАО «НИИ по промышленной и санитарной очистке газов» содержание ДО и фуранов в зоне сжигания может достигать 6000 нг/м³ (письмо № 323/31 от 09.10.98).

Наличие в дымовых газах аммиака, соединений калия, кальция и натрия резко снижает интенсивность образования диоксинов (J.Air and Waste Monag. Assoc. 1991, 41, № 5, p.761-722).

Снижение интенсивности образования диоксинов происходит вследствие связывания хлора в соединения CaCl₂, KCl, NaCl, NH₄Cl.

При вводе в поток дымовых газов, имеющих температуру около 100°С, распыленного СаО на пылеулавливающем аппарате улавливается:

Таблица 2
Компонент	Эффективность, %	Остаточная концентрация, мг/нм3
HCl	80	12,7
HF	98	0,38
SO 2	50	165
Cd, Pb, Zn	>99	0,007
Hg	90	0,004
Диоксины и фураны	99,8	0,1 нг/нм3
Остаточная запыленность		6,0

(ОАО «НИИ по промышленной и санитарной очистке газов письмо № 321/31 от 09.10.1999 г.)

Следовательно, СаО разрушает диоксины и фураны, вступая с ними в химическое взаимодействие, а полнота протекания химической реакции - вопрос температуры и времени.

Опытным путем установлено, что по истечении 9-12 месяцев после введения, равномерного распределения в ТБО 3-5% СаО (КОН, NaOH, NH₄OH или Са(ОН)₂) диоксины и фураны в ТБО не обнаруживаются. Исходное содержание ДО и Ф составляло 80-100 нг/кг.

Удельные капитальные затраты на реализацию заявляемого способа составят порядка 12-15 USD/т ТБО.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет высокоэффективно при капитальных затратах в 12-15 USD/т годовой производительности по ТБО (против 150-715 USD/т) перерабатывать отходы во вторсырье и экологически чистое удобрение, при этом низкотемпературная переработка ТБО исключает образование дополнительных количеств ДО и Ф.

ТБО в своем составе кроме диоксинов и фуранов содержат другие вредности, в том числе:

- болезнетворные микроорганизмы (гельминтозное загрязнение);

- соединения тяжелых металлов (Pb, Zn, Cd, Mn, Hg, Al, As, Si, Li, Та и т.д.);

- ионы тяжелых металлов, способные образовывать высокотоксичные летучие газообразные металлоорганические соединения.

Перемешивание 30 кг извести с 1 т жидкого навоза является эффективным обеззараживающим средством навоза, обсемененного сальмонеллами. Щелочная среда повышает дезинфекционную эффективность формальдегида (А.С.Грин, В.Н.Новиков. Промышленные и бытовые отходы. Хранение, утилизация, переработка. М., 2002, Издательство торговый дом ГРАНД, стр.83).

Концентрация F выше 1,5 мг/л ведет к увеличению риска флюороза зубов, а еще большая концентрация вызывает флюороз скелета типа остеосклероза и тугоподвижность суставов (эту болезнь медики ставят в один ряд с раком).

Эффективно дефторирование воды оксидами кальция и магния (А.С.Грин, В.Н.Новиков. Промышленные и бытовые отходы. Хранение, утилизация, переработка. М., 2002, Издательство торговый дом ГРАНД, стр.119, 120).

Подщелачивание сточных вод с рН 6,4 до рН 8,5 снижает содержание в них свинца с 486 мг/л до 0,14 мг/л, марганца с 2700 до 900 мг/л (А.С.Грин, В.Н.Новиков. Промышленные и бытовые отходы. Хранение, утилизация, переработка. М., 2002, Издательство торговый дом ГРАНД, стр.121).

При высоких концентрациях ионы металлов становятся токсичными, что вызывает функциональные деформации и даже летальный исход. Установлен синергизм накопления тяжелых металлов в организме из-за их комплексного воздействия. При синергизме эффект действия многократно усиливается (например, токсичность иона свинца усугубляется при недостатке кальция) (А.С.Грин, В.Н.Новиков. Промышленные и бытовые отходы. Хранение, утилизация, переработка. М., 2002, Издательство торговый дом ГРАНД, стр.254).

Обработка ТБО известковым молоком (рН 8-12) позволяет использовать органическую составляющую в качестве удобрения.

Попавшие с удобрением в почву тяжелые металлы (даже медь и цинк) практически не попадают в растения, а по хрому и кадмию фиксировались только следы. Это дает основания полагать, что известь, содержащаяся в удобрении, препятствует миграции металлов в растения (А.С.Грин, В.Н.Новиков. Промышленные и бытовые отходы. Хранение, утилизация переработка. М., 2002, Издательство торговый дом ГРАНД, стр.264).

В процессе сбора, транспортировки и переработки ТБО протекают биологические процессы, которые не обеспечивают достаточную чистоту стоков. Поэтому часто для доочистки стоков используют физико-химические методы, например озонирование, которое обеспечивает глубокое обесцвечивание стоков и достаточно полное удаление биохимически окисляемых органических веществ (А.С.Грин, В.Н.Новиков. Промышленные и бытовые отходы. Хранение, утилизация, переработка. М., 2002, Издательство торговый дом ГРАНД, стр.172).