Переработка твердых бытовых отходов

В.Д.Шантарин, Г.М.Шинкеев, П.П.Ивлев, В.В.Агеев, А.В.Иванов А.В.Двойникова, Л.В.Францева, И.Н.Манакова, Э.Н.Любас, Л.А.Клепалова.

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Тюмень

Россия

Удаление и обезвреживание твердых бытовых отходов (ТБО) - наиболее значимый для города неблагоприятный экологический фактор, важнейший показатель санитарного благополучия населения, общественной гигиены.

Среди методов ликвидации отходов в настоящее время первое место принадлежит полигонам твердых бытовых отходов, на которые вывозят порядка 90-95% отходов (сжигание составляет не выше 10%). При этом сложилось устойчивое мнение: будь-то бы, если ТБО складируются, то тем самым они обезвреживаются. Это далеко от истины. Полигоны – мины замедленного действия, которые будут действовать десятки лет, нанося огромный экологический и социальный ущерб природной среде и, тем самым, населению.

По результатам работ различных авторов, исследовавших все аспекты размещения ТБО на полигонах, отмечается не только сильное поверхностное загрязнение почв на больших территориях, но и подземных вод и грунтов до глубин более 20 м. При этом установлено, что воды фильтратов являются также источником загрязнения поверхностных вод по: Fe, Ba, Cr, P, Ti, Ni, нитратам, аммонию, Cl от 2 до 100 ПДК. Кроме того, в состав загрязняющих компонентов при многократном превышении ПДК входят: Co, W, Mo, V, Zr, Pb, Bi, Zn, Li, Sr и т. д. Воды эти токсичны для живых организмов.

Вблизи полигона ТБО располагаются и эксплуатируются артезианские водонапорные скважины из горизонтов, испытывающих постоянное загрязнение фильтратами полигона.

Помимо этого на природную среду оказывает влияние выделение биогаза – метана, кислорода, углекислого газа, содержание которых может составлять десятки процентов. Эти величины превышают санитарные нормы и могут вызвать удушье человека. Биохимическое разложение и химическое окисление материала свалки может сопровождаться образованием очагов выделения тепла с повышением температур до 75°С, т. е. возможно самовозгорание отходов. Гниение материала ТБО сопровождается распространением запаха на расстояние более 1 км.

Вторым направлением утилизации ТБО является переработка в органическое удобрение (компост). Из известных методов переработки (с продувкой воздуха в штабелях, в сетчатых камерах, на жалюзийных полках, в вертикальных башнях) наиболее эффективным и гигиеничным на сегодняшний день является метод биопереработки во вращающихся цилиндрических барабанах (диаметром до 4 метров и длиной до 30-60 метров). Процесс происходит в полной изоляции от человека.

Трудность осуществления данного метода состоит в необходимости сложной сортировки и предварительной переработки ТБО, т. к. в России отсутствует система целевого сбора отсортированного и незагрязненного вторичного сырья у населения, что влечет за собой необходимость строительства дополнительного завода по сортировке мусора для разделения и сбора вторичного сырья: пленка, бумага, черные и цветные металлы, стекло.

К сожалению, из-за низкой экологической культуры населения в бытовые отходы попадают краски, батарейки, люминисцентные лампы и многое другое, что может привести к перенасыщению компоста тяжелыми металлами и вредными компонентами.

В связи с этим в работе предлагается метод безотходной утилизации ТБО. Суть предлагаемого решения сводится к проведению ряда технологических стадий переработки органических отходов в зависимости от агрегатного состояния. Твердые органические отходы в смеси с окисью кальция переводятся в карбид кальция. Жидкие и газообразные отходы превращаются в синтетические нефтепродукты путем пропускания их через карбид кальция в сверхкритических для ацетилена условиях T>=500°C и P>=0,2МПа и последующей конденсацией и сепарацией полученных продуктов.

Новизна этого решения состоит в осуществлении последовательных вышеназванных химико-технологических стадий превращения отходов в ценное энергетическое сырье (сначала в карбид кальция, затем в углеводороды нефтяного ряда) При этом глубина утилизации достигает 90% и более.

Ожидаемые научные результаты сводятся к существенной корректировке наших знаний о гидролизе ионных карбидов. Принято считать, что при взаимодействии карбида кальция с водой образуется ацетилен. Ацетилен является неустойчивым газом, так нагретый до 500°C ацетилен взрывается (без кислорода или другого окислителя) при P<0,2МПа. Следовательно,если проводить взаимодействие CaC₂ с H₂ O при Т>=500°C и P>=0,2 МПа, то в этих условиях ацетилен существовать, а следовательно, образовываться не может.

Но и карбид кальция в присутствии воды существовать не может. Условий выше критического для ацетилена бесконечно много. Схематично этот процесс можно записать в следующем виде:

CaC₂ +H₂ OCaO+CH₄ (газ)

CaC₂ +H₂ OCaO+CH₃ (газоконденсат)

CaC₂ +H₂ OCaO+CH₂ (нефть)

CaC₂ +H₂ O CaO+CH(графит)

Таким образом, опытным путем доказано, что воду можно перевести в любой из вышеупомянутых продуктов. Все дело в экономической целесообразности.

Кроме того, это решение может найти практическое применение в областях и районах экологического бедствия, поскольку предлагается ликвидация любых органических сбросов путем перевода их в углеводороды нефтяного ряда.

Схема переработки: твердые органические отходы, отсортированные от металла и минеральных веществ, переводятся в карбид кальция, который в дальнейшем используется для утилизации ядовитых газообразных и жидких сбросов.

Положительный баланс в энергозатратах осуществляется в основном за счет:

замены кокса или антрацита бросовым углеродом (мусором);

использования для гидролиза CaC₂ ядовитых отходов (сбросов), богатых органическими веществами, что снижает расход CaC₂ на единицу продукции;

исключения футеровки стенок установки огнеупорными графитовыми блоками.

Использование предлагаемого способа переработки мусора позволяет не только утилизовывать бытовые отходы, но и получать ценные углеводороды нефтяного ряда, вследствие чего значительно сократятся расходы на переработку мусора и, в конечном счете, приведет к экономии энергетических ресурсов.