РЕЦИКЛИНГ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ ТОПЛИВА (БИОГАЗА)

RECYCLING OF SOLID HOUSEHOLD WASTE TO PRODUCE FUEL (BIOGAS)

Muhsinjon Qahorov

Student, Department of Ecology of Technological Processes, Egorievsk Technological Institute (branch), Moscow State Technological University "STANKIN",

Russia, Yegoryevsk

Tatyana Volkova

scientific adviser, Senior Lecturer, Department of Ecology of Technological Processes, Egorievsk Technological Institute (branch), Moscow State Technological University "STANKIN",

Russia, Yegoryevsk

Marina Podshivalova

scientific adviser, Ph.D. chem. Sci., Associate Professor, Department of Ecology of Technological Processes, Egorievsk Technological Institute (branch), Moscow State Technological University "STANKIN",

Russia, Yegoryevsk

АННОТАЦИЯ

Анализ методов переработки твердых органических отходов. Рассмотрен метод анаэробного сбраживания прошедших предварительную подготовку твердых органических отходов. Предложена блок-схема переработки твердых органических отходов.

ABSTRACT

Analysis of methods for the processing of solid organic waste. The method of anaerobic digestion of pretreated solid organic waste is discussed. A block diagram for the processing of solid organic waste is proposed.

Ключевые слова: вторичные ресурсы, рециклинг, анаэробное сбраживание, биогаз.

Keywords: secondary resources; recycling; anaerobic digestion; biogas.

Одним из важных направлений в области обеспечения экологической безопасности в крупных городских агломератах является применение ресурсосберегающих технологий, основанных на комплексном использовании сырья и экономии материальных ресурсов, а также максимально возможное вовлечение вторичных ресурсов в процесс рециклинга.

Переработка вторичного сырья и связанная с этим разработка принципиально новых ресурсосберегающих технологий, направленных в первую очередь на использование возобновляемых сырьевых и энергетических источников в период увеличивающегося дефицита природного топлива, является актуальной задачей современной науки.

Одними из таких источников являются образующиеся в значительных количествах твердые отходы, которые охватывают как гетерогенную массу отходов городского сообщества, так и более однородное накопление сельскохозяйственных, промышленных и минеральных отходов. Все они содержат большое количество ценных компонентов, которые могут быть вовлечены во вторичное использование, однако, проблематичность их промышленной переработки заключается в сложности морфологического состава, в связи, с чем нет единого мнения относительно того, какие из известных методов переработки отходов наиболее рациональны. Тем не менее, не оспоримым остается тот факт, что предварительным этапом для всех методов переработки является раздельный сбор ресурсноценных фракций твердых отходов. Это значительно облегчает и переработку, и вовлечение их в процесс рециклинга [1, c.16].

Как было отмечено выше, способов утилизации и переработки твердых отходов на сегодняшний день известно весьма значительное количество, наиболее часто из которых используется термическое обезвреживание. В первую очередь это связано с действием в большинстве европейских стран законов, например «закон о мусорных свалках» – «Landfill Directive», контролирующих деятельность лиц, ответственных за хранение и переработку мусорных свалок. Также в Европе существует особый запрет на вывоз отходов на полигоны с содержанием органических веществ более 5 %. [2 с.5]. Именно по этой причине в последнее время в высокоразвитых странах вкладываются значительные средства на строительство новых и реконструкцию уже существующих мусоросжигательных заводов с выработкой тепловой и (или) электрической энергии. Они представляют собой автономные электростанции на альтернативном топливе - ТБО. Существенным недостатком данного метода является необходимость оснащения мусоросжигающих установок мощной системой газоочистки, поскольку отходящие дымовые газы содержат значительное количество вредных компонентов (оксидов серы, азота, углерода и пр.). Недостаточная система их очистки приводит к серьезному загрязнению атмосферы.

Самый дешевый и распространённый способ утилизации отходов - захоронение их на полигонах. Однако как показывает практика подавляющее большинство существующих свалок и полигонов, как правило, совсем не отвечают природоохранным требованиям. Довольно часто их эксплуатация влечет за собой необратимые процессы масштабного экологического загрязнения. При этом на полигонах ежегодно безвозвратно теряется большое количество ресурсноценных материалов (макулатуры, черных и цветных металлов, полимерных материалов, пищевых отходов, стекла и пр.). Кроме того, под полигоны выводятся значительные территории земельных ресурсов, общая площадь которых составляет порядка 10 тыс. га. Исходя из вышесказанного, государственная политика в области обращения с отходами должна быть все больше ориентирована на ликвидацию полигонов ТБО и вовлечение первых в процесс рециклинга. Однако далеко не все страны в силу своего экономического развития могут это себе позволить. Если проанализировать имеющиеся в средствах массовой информации статистические данные, то наиболее высокие показатели экологически и экономически направленной переработки ТБО имеют развитые страны. Анализ результатов показывает, что в более высокоразвитых странах Европейского сообщества основной процент утилизации твердых отходов приходится именно на их переработку, в то время как менее развитых на захоронение. Так, например, в Германии в переработку вовлечено 46% образующихся отходов по сравнению с 4% подлежащими захоронению, в то время как в Румынии перерабатывается 2%, захоранивается 96% отходов [1, с.18].

Существующие способы рекуперации, регенерации, утилизации, переработки и захоронения недостаточно хороши, и не всегда применимы для переработки пищевых отходов. Тем не менее, в связи с все продолжающимся ростом цен на энергоносители значительную часть образующихся твердых органических отходов можно использовать в качестве сырья для получения альтернативных источников энергии. Данный вид отходов, включая содержащуюся в них биомассу, можно считать одним из приоритетных возобновляемых источников энергии, поэтому наряду со сжиганием мусора актуальным на сегодняшний день является метод обезвреживания бытового мусора путем его биологической переработки с получением биоудобрения и биотоплива (биогаза и этанола). Последние в свою очередь могут использоваться для отопления или в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и когенераторов для выработки электроэнергии и тепла.

В мировой практике накоплен достаточный опыт использования возобновляемых источников энергии, в том числе энергии биомассы, переработка которой сводится к получению наиболее перспективного газообразного топлива – биогаза. Биогаз — горючий газ, образующийся при анаэробном, в отсутствии кислорода, метановом сбраживании биомассы. Он состоит преимущественно из метана 55% - 75%, двуокиси углерода 25% - 45%, следовых количеств сероводорода, аммиака, оксидов азота и других газов. Средняя теплота его сгорания, содержащего около 60% метана, составляет порядка 22МДж/м³. Поскольку горючая часть биогаза состоит из метана (t воспл. = 645°С), его причисляют к семейству природных газов [2, с.2].  Довольно высокое содержание метана в нем и, следовательно, высокая теплота сгорания, предоставляют широкие возможности его использования.

Состав и количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и от технологии производства биогаза. В качестве органического сырья для его производства используют: осадки, образующиеся в процессе очистки сточных вод, отходы сельскохозяйственного производства и твердые органические отходы.

Технологический процесс переработки сырья в конечный продукт может проводиться как в стационарных условиях в биогазовых установках, так и за счет сбраживания в естественных условиях на полигоне ТБО с последующим отводом, образующегося газа через специально оборудованные скважины или газовые колодцы [2, с.2].

Биогазовые установки — это специальные агрегаты, для переработки органических отходов. Основным оборудованием в них являются биореакторы. Они представляют собой вертикально расположенные емкости вместимостью до 5000 м³, что примерно соответствует отходам, производимым населением в 185 000 человек [1, c.15]. Для переработки большего количества отходов можно установить два или более параллельных реакторов. В них загружается предварительно отсортированный и измельченный органический субстрат. По окончании анаэробного брожения образующийся жидкий продукт, который при необходимости, пастеризуют и после этого полностью осушают в твердую массу, составляющую 35-50% от первоначального объема. В последующей стадии биомасса может быть подвергнута измельчению и классификации для улучшения показателей хранения, внешнего вида и удобства дальнейшего использования в качестве биоудобрения.

Блок-схема описанного выше технологического процесса представлена на рисунке 1.

Себестоимость данной технологии составляет порядка 2100 рублей за тысячу кубических метров. Одного кубического метра полученного газа достаточно для выработки до 2 кВт·ч электроэнергии в электрогенераторе, с выработкой электричества без перепадов, как в общественной сети.

Рисунок 1. Блок-схема переработки твердых органических отходов в биогаз

Существенный недостаток биогазовой энергетики — большие капитальные затраты, а также относительно узкий коридор рентабельности проектов. Стоимость 1 кВт мощности такой станции колеблется от 2 до 5 тыс. евро в зависимости от ее размера (чем меньше, тем дороже) и вида сырья. Однако биогаз дает возможность получать одновременно несколько видов энергоресурсов: газ, моторное топливо, тепло, электроэнергию. Еще одна его особенность — постоянство выработки энергии и максимальное использование установленной мощности [3, с.2].  И главное достоинство - сырье для биогаза. Это не дорогостоящие и дефицитные природные ресурсы, а восполняемые отходы, образующиеся в современном технологическом обществе.

Расчет расходов на содержание биогазовой системы должен учитывать прямые и косвенные положительные экономические эффекты от ее эксплуатации. Она позволяет уменьшить расходы на очистку и утилизацию сточных вод, сэкономить средства на уплате штрафов за неочищенные стоки, использовать освободившиеся земельные площади для разных нужд, применять или пускать на реализацию полученные удобрения [4].

Значительное количество биогазовых установок сосредоточено в Европе порядка 44% от их мирового количества, а также в Северной Америке - 14%. Встретить подобные установки можно и в малоразвитых странах. В России к таким установкам также проявляется интерес, хотя на данный момент широкого распространения они не получили, лидером по количеству таких объектов является Белгородская область. Объяснить это можно, пожалуй, отсутствием в нашей стране четко построенной системы раздельного сбора мусора, которая является главным условием для его глубокой переработки. Для решения данной проблемы можно не только перенимать и усовершенствовать зарубежный опыт, но и проводить просветительскую работу с населением.

Чтобы оптимально использовать все имеющиеся в распоряжении ресурсы, в том числе и вторичные, необходимо учитывать интеграцию различных технологий утилизации отходов, в которых отходы одного процесса служат сырьем для другого. В таких интегрированных системах все стороны вовлечены в процессы минимизации внешних затрат энергии и решению вопросов ресурсосбережения и рационального природопользования.

Список литературы:

1. Желтоухова М.А. «Разработка конструкции биореактора для переработки твердых бытовых отходов (ТБО)». Дипломный проект. Тольяти, 2016. -111с.
2. Чадова Н.А., Чадов А.Ю. ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В РОССИИ//Материалы IX Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL:<a href="https://scienceforum.ru/2017/article/2017033030">https://scienceforum.ru/2017/article/2017033030</a> (дата обращения:10.05.2021).</p>
3. Биогазовые установки в России. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lektsii.org/16-19171.html (дата обращения: 08.05.21)
4. Биогаз в России. [Электронный ресурс]. - URL:  Биогаз в России. Биогазовые установки. Компания Биокомплекс (biogaz-russia.ru) (дата обращения 08.08.21)