способ обработки твердых коммунальных отходов при их хранении

Формула изобретения

1. Способ обработки твердых коммунальных отходов при их хранении, включающий размещение твердых коммунальных отходов на площадке совместно с компостом, полученным при переработке твердых коммунальных отходов на заводах, отличающийся тем, что компост используют в качестве изолирующих слоев, для получения которых берут зрелый компост, по крайней мере, не менее шести месяцев компостирования, с содержанием органического вещества 30-50%, проводят щелочную активацию зрелого компоста 2%-ным раствором NaOH или 2%-ным раствором Na₂CO₃ при соотношении зрелого компоста и 2%-ного раствора NaOH, как 1:5 по весу, или при соотношении зрелого компоста и 2%-ного раствора Na₂CO₃ , как 1:5 по весу, при периодическом перемешивании и выдерживании в течение 20-24 ч, затем осуществляют разделение декантацией жидкой фазы и твердой фазы с низкой фильтрационной способностью и высокой сорбционной емкостью к тяжелым металлам.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что щелочную активацию последующих партий зрелого компоста проводят жидкой фазой, по крайней мере, трехкратно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и предназначено для обработки компоста из твердых коммунальных отходов и использования его в качестве изолирующих слоев с низкой фильтрационной способностью и высокой сорбционной емкостью к тяжелым металлам при хранении отходов.

Известны способы захоронения твердых бытовых (промышленных) отходов, включающие формирование отвалов из отходов, укладки водонепроницаемых экранов из полиэтиленовой пленки (из глины), RU № 2115492 C1, B09B 1/00, 20. 1998.07.20; RU № 2070102 C1, B09B 1/00, 1996.12. 10.

Известны способы обезвреживания свалок промышленно-бытовых отходов, включающие подачу в толщу свалки обезвреживающего агента в виде водной суспензии гидролизованных алюмосиликатов, RU № 2226130 С2, B09B 3/00, B09B 1/00, 2004.03.27; RU № 2226131 С2, B09B 3/00, B09B 1/00, 2004.03.27.

Известны способы переработки твердых бытовых отходов активирующими составами при последующем компостировании, RU № 2294319 C1, C05F 9/00, B09B 3/00, 2007.02.27; RU № 2273625 C2, C05F 9/00, B09B 3/00, 2006.04.10.

Известен способ компостирования органических отходов, осуществляемый использованием гуминового концентрата, RU № 2125039 C1, C05F 11/02, B09B 1/00, 1999.01.20.

Известен способ очистки сточных вод полигонов твердых бытовых отходов от тяжелых металлов путем обработки сточных вод щелочным раствором и рециркуляции сквозь массу отходов, RU № 2162059 C1, B09B 3/00, 2001.01.20.

Известен способ сбора, очистки и отвода фильтрата на полигоне твердых отходов, включающий сооружение многослойного противофильтрационного экрана, сбор, очистку и отвод фильтрата, RU № 2325240 C2, B09B 1/00, 2008.07.19.

Известен способ образования покрытий на накопителях отходов, включающий послойную обработку, планировку слоев с введением осадков сточных вод и компостов заводов, полученных при аэробной ферментации твердых коммунальных отходов, RU № 2318619 C1, B09B 1/00, 2008.03.10.

Известен способ складирования твердых бытовых отходов, включающий размещение твердых коммунальных отходов на площадке совместно с компостом, полученным при переработке твердых коммунальных отходов на заводах, RU № 2247610 C1, B09B 1/00, 2005.03.10.

Данное техническое решение принято в качестве «ближайшего аналога» настоящего изобретения.

Однако оно обладает недостатком.

В «ближайшем аналоге» послойное размещение твердых бытовых отходов и биодобавок на основе смеси осадков сточных вод, избыточных активных илов канализационных очистных сооружений и наполнителей-компостов заводов по переработке твердых бытовых отходов направлено на снижение степени разложения органической составляющей отходов и на их осадку.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в том, чтобы компост, полученный при переработке твердых коммунальных отходов, использовать в качестве изолирующих слоев с низкой фильтрационной способностью и высокой сорбционной емкостью к тяжелым металлам, повысить надежность обработки отходов при их хранении и обеспечить защиту почвы, поверхностных и грунтовых вод от загрязнении.

Технический результат настоящего изобретения заключается в определении оптимальных условий проведения щелочной активации компоста из твердых коммунальных отходов за счет удаления подвижных гумусовых веществ - основных переносчиков тяжелых металлов и за счет усиления способности нерастворимых гумусовых веществ поглощать катионы тяжелых металлов, в повышении качества изолирующего слоя за счет снижения скорости фильтрации и активного поглощения тяжелых металлов из фильтрата при наличии его, а также за счет увеличения концентрации гумусовых веществ в растворах и в снижении экономических затрат.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что способ обработки твердых коммунальных отходов при их хранении включает размещение твердых коммунальных отходов на площадке совместно с компостом, полученным при переработке твердых коммунальных отходов на заводах.

Компост используют в качестве изолирующих слоев, для получения которых берут зрелый компост, по крайней мере, не менее шести месяцев компостирования, с содержанием органического вещества 30-50%, проводят щелочную активацию зрелого компоста 2% раствором NaOH или 2% раствором Na₂CO₃ при соотношении зрелого компоста и 2% раствора NaOH, как 1:5 по весу, или при соотношении зрелого компоста и 2% раствора Na₂CO ₃, как 1:5 по весу, при периодическом перемешивании и выдерживании в течение 20-24 часов, затем осуществляют разделение декантацией жидкой фазы и твердой фазы с низкой фильтрационной способностью и высокой сорбционной емкостью к тяжелым металлам.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

За счет реализации отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы) достигаются важные новые свойства объекта.

В предложенном техническом решении:

- выбран зрелый компост, полученный из твердых коммунальных отходов, для проведения активации (зрелый компост со сроком компостирования, по крайней мере, не менее шести месяцев, и с содержанием органического вещества 30-50%);

- определены оптимальные условия проведения щелочной активации зрелого компоста (2% раствором NaOH или Na₂ CO₃ при соотношении компоста и щелочного раствора, как 1:5 по весу);

- подобраны технические условия проведения щелочной активации (периодическое перемешивание и выдерживание в течение 20-24 часов);

- проведено разделение жидкой и твердой фаз (декантацией), имеющих химический состав, отвечающий оптимальным условиям проведения щелочной активации зрелого компоста;

- получена твердая фаза с высокой сорбционной емкостью к тяжелым металлам за счет удаления подвижных гумусовых веществ - основных переносчиков тяжелых металлов и за счет усиления способности нерастворимых гумусовых веществ поглощать катионы тяжелых металлов;

- использована твердая фаза в качестве изолирующих слоев с низкой фильтрационной способностью, позволяющих снижать скорость фильтрации и одновременно активно поглощать тяжелые металлы из фильтрата при наличии его;

- получена жидкая фаза для проведения щелочной активации последующих партий зрелого компоста и увеличения концентрации гумусовых веществ в растворах;

- использована жидкая фаза для активации трехкратно.

Заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат, в связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Для осуществления способа используют зрелый компост, полученный при переработке твердых коммунальных отходов, в качестве изолирующих слоев с низкой фильтрационной способностью и высокой сорбционной емкостью к тяжелым металлам.

Зрелый компост, при компостировании его в течение не менее шести месяцев, берут с содержанием органического вещества 30-50%.

Для осуществления способа проводят:

- щелочную активацию зрелого компоста при соотношении зрелый компост и 2% раствор NaOH, как 1:5 по весу;

- щелочную активацию зрелого компоста при соотношении зрелый компост и 2% раствор Na₂ CO₃, как 1:5 по весу;

- периодическое перемешивание зрелого компоста и раствора NaOH;

- периодическое перемешивание зрелого компоста и раствора Na ₂CO₃;

- выдерживание в течение 20-24 часов зрелого компоста и раствора NaOH;

- выдерживание в течение 20-24 часов зрелого компоста и раствора Na₂CO₃;

- разделение жидкой и твердой фаз декантацией после щелочной активации зрелого компоста и раствора NaOH;

- разделение жидкой и твердой фаз декантацией после щелочной активации зрелого компоста и раствора Na₂CO₃;

- использование твердой фазы (после щелочной активации раствором NaOH зрелого компоста) в качестве изолирующих слоев с низкой фильтрационной способностью и высокой сорбционной емкостью к тяжелым металлам;

- использование твердой фазы (после щелочной активации раствором Na₂CO₃ зрелого компоста) в качестве изолирующих слоев с низкой фильтрационной способностью и высокой сорбционной емкостью к тяжелым металлам;

- использование жидкой фазы (после щелочной активации раствором NaOH зрелого компоста) для щелочной активации последующих партий зрелого компоста трехкратно;

- использование жидкой фазы (после щелочной активации раствором Na₂CO₃ зрелого компоста) для щелочной активации последующих партий зрелого компоста трехкратно.

Сущность изобретения поясняется примерами модельных экспериментов.

Пример 1.

Определение химических параметров зрелого компоста, полученного из твердых коммунальных отходов.

Берут зрелые компосты из твердых коммунальных отходов, произведенные на заводе МПБО-2 (г.Санкт-Петербург, пос. Янино) в 2007 году.

Зрелые компосты были отобраны осенью 2007 года и хранились в складском помещении без обогрева.

Определяют химические параметры отобранных зрелых компостов.

Для определения химических параметров используют зрелый компост дробленый, взятый после измельчения в дробилке, а также зрелый компост без дробления, взятый с площадки дозревания.

Химические параметры зрелых компостов

Таблица 1
	Зрелый компост	Зрелый компост
Показатели	с дроблением	без дробления
	2007 г	2007 г
Влажность, %	56,95	49,60
pHKCl	6,44	7,12
	6,55	7,25
Органическое вещество, %	50,8	33,4
Nобщ. , % а.с.в.	0,88	0,89
Pобщ., % а.с.в.	0,7	0,3
Кобщ, % а.с.в.	0,56	0,58
Кподв, мг/100 г а.с.в.	277,5	271,6
N-NH4 , мг/100г a.c.в.	102,1	6,18
N-NO3 , мг/100 г а.с.в.	0,83	0,96
Рподв. , мг/100 г а.с.в.	168,8	165,4
Емкость катионного обмена, мг экв/100 г	106,7	128,1
Насыпная плотность, г/л	680	580
Подвижные гумусовые вещества, Сорг мг/100 г	1656,8	1656,8

Из таблицы 1 видно, что химические параметры зрелых компостов с дроблением и без дробления отличаются друг от друга, но отличия эти связаны только с содержанием органического вещества.

Примечание:

Определение влажности проводили методом высушивания зрелого компоста при температуре 105°С.

Определение pH проводили потенциометрическим методом.

Определение зольности проводили методом озоления зрелого компоста в муфельной печи и прокаливанием зольного остатка в тиглях при температуре (800±25°С).

Определение общего азота (N_общ.) проводили методом Кьельдаля, используя автоматический анализатор Кьельтек фирмы «Tecator» (Швеция).

Определение содержания общего фосфора (P_общ.) в зрелых компостах проводили методом сжигания с концентрированной серной кислотой в присутствии хлорной кислоты с последующим определением фосфора по оптической плотности окрашенного фосфорно-молибденового комплекса (с аскорбиновой кислотой), восстановленного до молибденовой сини.

Определение подвижных форм калия (К _подв) проводили методом извлечения подвижных форм 0,2 Н раствором соляной кислоты и последующим определением его количества на пламенном фотометре посредством измерения интенсивности излучения элемента в пламени.

Определение аммиачного азота проводили после извлечения обменно-поглощенного аммиака раствором соляной кислоты концентрации 0,1 Н с реактивом Несслера.

Определение подвижных форм фосфора (Р_подв.) проводили в растворе после извлечения 0,2 Н раствором соляной кислоты и последующим определением в вытяжке фосфора в виде синего фосфорно-молибденового комплекса на спектрофотометре.

Определение емкости катионного обмена зрелого компоста проводили по методу Бобко-Аскинази-Алешина в модификации ЦИНАО с насыщением почвенного поглощающего комплекса избытком BaCl₂, последующим определении поглощенного бария, количество которого эквивалентно емкости поглощения, по реакции с титрованным раствором серной кислоты.

Определение содержания подвижных гумусовых веществ (С_орг ) проводили суммируя содержание органического углерода в вытяжке после декальцинирования и последующей обработки зрелого компоста 0,1 Н NaOH (2-я вытяжка при фракционировании по Пономаревой-Плотниковой). Содержание углерода в вытяжках определяли методом окисления с хромовой смесью с окончанием на спектрофотометре.

Пример 2

Щелочная активация зрелого компоста, полученного из твердых коммунальных отходов, и определение оптимального соотношения зрелого компоста и щелочного раствора.

Берут зрелые компосты согласно примеру 1.

Активацию зрелого компоста проводят с использованием 1%, 2% и 5% растворов NaOH и Na₂CO₃, при соотношении зрелого компоста и щелочного раствора, как 1:3, 1:5, 1:10 и 1:20 по весу.

Зрелые компосты заливают соответствующими щелочными растворами, перемешивают несколько раз в течение дня и оставляют отстаиваться на ночь.

Время взаимодействия зрелого компоста с щелочными растворами составляет 20-24 часа.

Проводят разделение жидкой и твердой фаз декантацией (сливанием) и получают для каждого варианта подвижные гумусовые вещества (смесь фульвокислот и гуминовых кислот, а также неспецифических органических растворимых соединений) и осадок, после выделения гуматов (активированный компост), влажностью 45,2-70,7%.

Определяют содержание гумусовых веществ в жидкой фазе, извлекаемых из зрелого компоста при его активации.

Содержание гумусовых веществ в жидкой фазе, мг/л

Таблица 2
Соотношение зрелый компост и щелочной раствор	NaOH	Na2CO3
1%	2%	5%	1%	2%	5%
1:3	1000	380	1656	552	1070	949
1:5	1138	1501	1966	759	1087	1018
1:10	776	1018	1311	518	638	638
1:20	656	776	1121	310	414	380

Из таблицы 2 видно, что использование в качестве щелочного раствора NaOH и щелочного раствора Na₂CO₃ с концентрациями каждого 2-5% при соотношениях зрелого компоста и щелочного раствора каждого, как 1:5 по весу, является преимущественным.

Из таблицы 2 видно, что использование в качестве щелочного раствора NaOH и щелочного раствора Na₂CO₃ при соотношениях зрелого компоста и щелочного раствора, как 1:10 и 1:20 по весу, не целесообразно, поскольку концентрация гумусовых веществ низкая.

Определяют количество гумусовых веществ, извлекаемых из зрелого компоста в % от их исходного содержания.

Содержание гумусовых веществ, извлекаемых из зрелого компоста.

Таблица 3
	% к содержанию подвижных гумусовых веществ в зрелом компосте
Щелочь	Кон-ция	Соотношение зрелого компоста и щелочного раствора
1:3	1:5	1:10	1:20
NaOH	1%	13,5	25,5	34,6	57,7
2%	5,0	33,2	45,3	68,6
5%	22,2	43,8	58,1	99,7
Na 2CO3	1%	7,5	16,9	23,0	27,5
2%	14,4	24,1	28,2	36,9
5%	12,7	22,7	27,9	34,3

Из таблицы 3 видно, что в зависимости от обработки в раствор переходит от 6,6 до 99,7% углерода подвижных гумусовых веществ, содержащихся в зрелом компосте. Процент извлечения гумусовых веществ зависит от вида щелочного раствора, так NaOH извлекает 13,5-99,7% гумусовых веществ от их количеств, содержащихся в зрелом компосте. Количество гумусовых веществ, перешедших в раствор, помимо вида щелочного раствора зависит от его концентрации и соотношений зрелого компоста и щелочного раствора, чем выше концентрация и больше соотношение? тем больший процент гумусовых соединений удается извлечь.

Пример 3.

Определение химических свойств растворов гумусовых веществ при проведении трех этапов активации.

Берут навески по 2 кг зрелых компостов, согласно примеру 1, размещают их в три емкости и проводят щелочную активацию в три этапа, соответственно.

В качестве щелочного раствора используют 2% раствор NaOH.

На первом этапе активации 2 кг зрелого компоста, размещенного в первой емкости, заливают 10 л 2% раствора NaOH, несколько раз перемешивают и по истечении 24 часов разделяют декантацией жидкую (раствор гумусовых веществ) и твердую (активированный компост) фазы. Отбирают 500 мл раствора гумусовых веществ, для проведения анализа, а оставшийся раствор гумусовых веществ используют во втором этапе активации.

На втором этапе активации 2 кг зрелого компоста, размещенного во второй емкости, заливают оставшимся раствором гумусовых веществ от первого этапа, несколько раз перемешивают и по истечении 24 часов разделяют декантацией жидкую (раствор гумусовых веществ) и твердую (активированный компост) фазы. Отбирают 500 мл раствора гумусовых веществ, для проведения анализа, а оставшийся раствор гумусовых веществ используют в третьем этапе активации.

На третьем этапе активации 2 кг зрелого компоста, размещенного в третьей емкости, заливают оставшимся раствором гумусовых веществ от второго этапа, несколько раз перемешивают и по истечении 24 часов разделяют декантацией жидкую (раствор гумусовых веществ) и твердую (активированный компост) фазы. Отбирают 500 мл раствора гумусовых веществ, для проведения анализа.

Три этапа проводят, как для зрелого компоста с дроблением, так и для зрелого компоста без дробления.

В качестве щелочного раствора используют 2% раствор Na₂CO ₃.

Проводят аналогичным образом три этапа активации с ним.

Изменения химических свойств растворов гумусовых веществ в зависимости от этапов активации, от вида зрелого компоста (с дроблением или без дробления) и от щелочного раствора (NaOH, Na₂CO₃) представлены на чертежах.

Чертежи показывают, что концентрация общего азота, фосфора, калия и гумусовых веществ с каждым этапом существенно возрастает. С каждой последующей обработкой в растворе гумусовых веществ происходит пропорциональное накопление питательных веществ, гумуса и растет интенсивность окраски растворов. Общей тенденцией является большее извлечение раствором NaOH по сравнению с раствором Na₂CO₃ всех исследуемых соединений. Причем если в первом цикле разница незначительная, то в конце различия достигают до 2-х раз.

Пример 4

Определение фильтрационных свойств твердой фазы.

Берут пластиковые сосуды объемом 3 л с перфорированным дном. В пластиковые сосуды плотно набивают зрелый компост, согласно примеру 1, слоем 7 см.

Зрелые компосты используют, как исходные - без щелочной активации, так и зрелые компосты - после щелочной активации.

Зрелые компосты берут как с дроблением, так и без дробления.

В качестве щелочного раствора используют 2% раствор NaOH.

Через сосуды проливают по 2 л воды (1 л + 1 л).

Измеряют время, проходящее до удаления жидкости с поверхности зрелого компоста, и определяют скорость фильтрации.

Время прохождения 1 л воды через слой зрелого компоста 7 см

Таблица 4
Зрелые компосты	Время
2007 год	Без дробления	Исходный	16 минут 5 секунд
Активированный	26 часов 32 минуты
С дроблением	Исходный	40 минут 55 секунд
Активированный	3 часа 45 минут

Щелочная активация зрелого компоста значительно снизила скорость фильтрации растворов по сравнению с исходным компостом. Дробление компоста уменьшает скорость фильтрации через него.

Пример 5

Определение поглощения зрелым компостом тяжелых металлов при фильтрации раствора через слой компоста.

Берут пластиковые сосуды объемом 3 л с перфорированным дном. В пластиковые сосуды укладывают зрелый компост (исходный), согласно примеру 1, и зрелый компост после щелочной активации (активированный), согласно примеру 2. Навески исходного и активированного зрелых компостов берут по 500 г.

В качестве дренажа используют мелкий гранитный щебень (300 г) и сверху - кварцевый песок (1 кг), разделенные капроновой тканью (для предотвращения вымывания песка). Фильтрат собирают в пластиковые сосуды объемом 2 л.

Через сосуды проливают порциями 2 л 0,2 М (1 л + 1 л) раствора соответствующей соли тяжелых металлов.

Из группы тяжелых металлов: Cu, Zn, Co, Cd, Pb, Cr, Ni, As, Hg, находящихся в компостах, полученных при переработке твердых коммунальных отходов, выбирают Cu (из группы Cu и Pb), Ni (из группы Zn, Cd и Ni) и Cr, который в зависимости от окислительно-восстановительных условий среды легко меняет степень окисления. При этом Со, As и Hg не учитывают из-за присутствия их в компостах в очень низких концентрациях.

Содержание тяжелых металлов в растворах после их фильтрации через слой активированных зрелых компостов (% к исходному)

Таблица 5
Вариант	Cu2+	Cr6+	Cr3+	Ni2+
Исходный раствор	100	100	100	100
Исходный зрелый компост	59,6	73,8	64,6	63,0
Na2CO 3 1:5	54,0	75,8	44,1	57,0
Na2CO 3 1:10	33,8	69,6	31,4	63,2
NaOH 1:5	48,9	59,6	36,9	34,6
NaOH 1:10	61,0	80,0	28,2	31,8

После фильтрации во всех растворах происходит снижение концентрации содержащегося в них тяжелого металла. При этом Cr⁶⁺ поглощается в наименьшей степени - убыль не более 40%, а Cr³⁺ сорбируется до 70%. В значительной степени поглощаются катионы Ni²⁺ и Cu²⁺.

Влияние щелочной активации компоста на сорбцию Cu²⁺, Cr³⁺ и Cr⁶⁺, Ni²⁺ (сорбция тяжелых металлов в %)

Таблица 6
Варианты	Cu 2+	Cr 6+	Cr 3+	Ni 2+
Исходный зрелый компост	100	100	100	100
Na2CO 3 1:5	113,8	92,1	157,9	116,5
Na2 CO3 1:10	163,6	115,9	193,6	99,5
NaOH 1:5	126,4	154,0	178,1	177,0
NaOH 1:10	96,5	76,2	202,9	184,5

Использование активированного зрелого компоста увеличивает сорбцию тяжелых металлов из фильтрующегося через слой осадка раствора: Cu ²⁺ до 14-80%; Cr⁶⁺ до 6-16%; Cr³⁺ до 58-103%; Ni²⁺ до 16-84% по отношению к исходному зрелому компосту.

В среднем можно обеспечить снижение содержания тяжелых металлов в фильтрате на 55-65%.

Примеры 1, 2, 3, 4 и 5 подтверждают преимущества использования активированного зрелого компоста в качестве изолирующих слоев, в которых фильтрация практически отсутствует, кроме того, этот слой будет активно поглощать тяжелые металлы из фильтрата.

На основе щелочной активации зрелого компоста получен товарный продукт, пользующийся коммерческим спросом.

Предложенный способ проводился в ФГУ «СПбНИИЛХ» и для осуществления способа был использован компост, полученный на заводе по механизированной переработке коммунальных отходов (пос. Янино, Санкт-Петербург), были изучены и экспериментально подтверждены преимущества изолирующих слоев для обработки твердых коммунальных отходов при их хранении, и на основании полученных результатов можно сделать вывод о соответствии предложенного способа критерию «промышленная применимость».

Предложенный способ позволяет:

- повысить надежность обработки отходов при их хранении и обеспечить защиту почвы, поверхностных и грунтовых вод от загрязнений за счет использования изолирующих слоев;

- получить при щелочной активации компост и использовать его в качестве изолирующих слоев за счет оптимальных условий активации;

- повысить качество изолирующего слоя, обеспечить низкую фильтрационную способность и высокую сорбционную емкость к тяжелым металлам в них за счет удаления подвижных гумусовых веществ и за счет усиления способности нерастворимых гумусовых веществ поглощать катионы тяжелых металлов;

- снизить экономические затраты получения изолирующих слоев за счет неоднократного (трехкратного) использования щелочного раствора при последующих активациях новых порций зрелого компоста.