Технико-экономический анализ промышленных технологий переработки твердых бытовых отходов

В расчетах использованы усредненные данные, полученные на основании предложений правительству Москвы западных фирм в 1992 -1992 гг. - NOEL GMBH, Holter (Германия), KNIM (Франция), EMIT SPA (Италия), ORBICOM GROUP Ltd (Великобритания), а также данные отчета международной ассоциации ISWA (Nov. 1991, Working Group on Waste Inseneration) и разработки Научно-исследовательского Центра по проблемам управления ресурсосбережением и отходами Минприроды и Минэкономики РФ.

Для анализа выбраны современные технологии, представляющие практический интерес для региона Москвы и городов РФ: сжигание, компостирование, сортировка и их комбинации (по возможности в сравнении с захоронением ТБО на полигоне).

В качестве исходных данных для анализа технологий переработки ТБО принята условная производительность - 240 тыс.т ТБО в год (завод обслуживает 1 - 1,2 млн.жителей) и морфологический состав ТБО (табл.1), представленный европейскими фирмами и по данным исследований АКХ им.К.Д.Памфилова.

Таблица 1

Морфологический состав ТБО

N	Компоненты ТБО	Содержание (% по массе)
		по данным европейских фирм	по данным АКХ для региона Москвы
1	Бумага, картон и т.п.	15.)	25 - 30
2	Пищевые отходы *)	24.6*)	З0 - 38
3	Черный металлолом **)	5.2	3.0
4	Цветной металлолом	1.0	0.5
5	Текстиль	3.7	4.0 - 7.0
6	Стеклобой	10.0	5.0 - 8.0
7	Кожа, резина	4.0	2.0 - 4.0
3	Камни	-	1.0 - 3.0
9	Пластмасса	1.7	2.0 - 5.0
10	Дерево	12.3	1.5 - 3.0
11	Кости	-	0.5 - 2.0
12	Строительные отходы	10,7	-
13	Прочее	11.7	1.0 - 2.0
14	Отсев (-15 мм)	-	7.0 - 13

*) Включая растительные отходы, опилки и грунт.
**) Включая оловосодержащий лом.

Как следует из табл.1, содержание ряда компонентов в исходных ТБО, по данным европейским фирм, несколько завышено па сравнению с реальным составом ТБО московского региона (Очевидно, опубликованные в справочных материалах АКХ им.К.Д.Памфилова данные по морфологическому составу ТБО 1995г. устарели, поскольку в РФ изменился уклад жизни — изменилось потребление тех или иных товаров, практически прекратили свою деятельность организации по заготовке вторсырья и Т.Д. Отсюда актуально изучение реального сегодняшнего морфологического состава ТБО в регионах РФ.): дерева - на 9—10%, стеклобоя - на 2-5%, металлолома - на 2.7%; соответственно занижено содержание в ТБО бумаги - на 10-15% и некоторых других компонентов. Вместе с тем для сравнительного анализа различных технологий за основу можно принять условные расчетные данные морфологического состава ТБО, поскольку на целый ряд показателей (в первую очередь на капитальные и эксплуатационные затраты) влияет преимущественно производительность завода.

Некоторые экономические показатели различных технологий переработки ТБО (по данным европейских фирм, дополненных расчетными данными по комплексной переработке ТБО и расчетными данными по реализации готовой продукции - см.табл.3 и 4) приведены в табл.2 (комплексная переработка включает набор трех технологий - сортировку, компостирование и сжигание) и на рисунке (все расчеты - в дол. США).

Таблица 2

Ориентировочные удельные экономические показатели различных технологий переработки ТБО

Показатели	Технологии
	Складирование	Сжигание	Компостирование	Сортировка	Сортировка + сжигание	Сортировка + компостирование	Комплексная переработка
Удельные капитальные вложения (на 1 т ТБО), дол./т	47	280	90	50	330	100	240
Удельные эксплуатационные затраты (на 1 т ТБО), дол./т	30	9.6	10	3.2	12.8	8.7	13.5
Неутилизируемая фракция (подлежит захоронению), %	100	30	30	95	15	55	8
Удельные затраты на захоронение неутилизируемой фракции, дол./т	30	9	9	28.5	4.5	16.5	2.4
Удельные амортизационные отчисления (на 1 т ТБО), дол./т	-	28	9	5	33	10	24
Общие удельные затраты, дол./т	30	46.6	28	36.7	50.3	35.2	39.9
Суммарная реализация продукции из 1 т 'ТБО, дол./т	0	23.7	9.2	11.4	33.9	26.7	38.2
Эксплуатационные затраты с учетом возмещения за счет реализации продукции, дол./т	-30	-22.9	-16.6	-25.3	-16.4	-8.5	-1.7

Таблица 3

Характеристика продукции, получаемой из ТБО при использовании различных технологий их переработки
(производительность завода - 240 тыс.т/год)

Технология	Годовой выпуск продукции	Продукция
		Черный лом	Олово-содержащий лом	Лом алюминия	Компост	Шлак (шлаковый расплав)	Острый пар	Итого
Сжигание	т	5000					260000 Гкал
	млн. дол	0.5					5.2	5.7
Сортировка	т	4250	2800	960
	млн. дол	0.85	1.12	0.768				2.738
Сортировка + сжигание	т	4250	2800	960		40000	260000 Гкал
	млн. дол	0.85	1.12	0.768		0.2	5.2	8.138
Компостирование	т	6000			100000
	млн. дол	1.2			1.0			2.2
Сортировка+ компостирование	т	4250	2800	960	50000
	млн. дол	0.85	1.12	0.768	1.75			4.488
Комплексная переработка	т	4250	2800	960	50000	30000	130000 Гкал
	млн. дол	0.85	1.12	0.768	1.75	0.15	2.6	7.238

Примечание:
При использовании технологии сортировки потенциально возможно выделение стеклобоя, текстиля и пластмассы. Ввиду большой загрязненности этих продуктов и сложности сбыта их реализация в данном расчете не рассматривается.

Таблица 4

Условная базисная оптовая цена единицы продукции
(к расчету реализации продукции)

Продукция	$ /т
Черный металлолом	200
Оловосодержащий лом	400
Лом алюминия	800
Компост	35
Шлак (шлаковый расплав)	5
Острый пар	20 дол./Гкал

Примечание:
Стоимость черного лома, выделенного из ТБО при использовании технологии прямого сжигания, принята равной 100 дол./т (реализуется как "доменный присад").
Стоимость компоста, полученного по технологии прямого компостирования исходных ТБО, принята равной 10 дол./т.
Шлак направляется в производство строительных материалов (цена 1 т шлакоцементных блоков 75 дол./т); соответствующий цех должен входить в состав завода, на в данном расчете этот вариант не рассматривается и условно цена шлака принята равной 5 дол./т.

Как следует из приведенных данных, строительство заводов по технологии сортировки ТБО, их прямого сжигания, а также прямого компостирования экономически наименее целесообразно.

Для справки:

• существующие в СНГ заводы используют исключительно технологию прямого сжигания или прямого компостирования исходных ТБО, т.е. практически реализован худший из всех возможных вариантов промышленных технологий);
• что касается технологии сортировки ТБО, то ее применение как самостоятельной операции, в отрыве от других технологий, не имеет смысла и, по-видимому, возможно лишь в редких случаях извлечения из ТБО металлов с целью предотвращения их попадания на свалки (например, использование простейшей сортировки на мусороперегрузочных станциях).

Комплексная переработка твердых бытовых отходов

В экономическом плане, наиболее предпочтительны комбинационные технические решения, в особенности комплексная переработка (ТБО) (комбинация процессов сортировки, термо- и биообработки.)

Ниже показано влияние процесса сортировки на перераспределение материальных потоков отходов между термическим и биотермическим переделами в случае комбинации технологий (комплексная переработка ТБО), что является технически целесообразным и обеспечивает повышение экономической и экологической эффективности производства.

Таблица 5

Ориентировочный материальный баланс процесса сортировки ТБО
(цех работает 340 дней в году, по 12 часов в сутки, при этом поступает исходных ТБО: 240 тыс.т/год, 705 т/сут, около 60 т/час)

Наименование продуктов	Содержание в исходном, %	Выход
		Извлечение, %	%	т/год	т/сут
Черный металлолом (включая оловосодержащий)	3.0	98	2.94	7056	20. 75
Цветной металлолом	0.5	80	0.4	960	2.82
Легкая фракция (на сжигание)	30.0	45	13.5	32400	95.29
Текстильные компоненты (на сжигание)	6.0	80	4.8	11520	33.88
Крупногабаритные компоненты (на сжигание)	2.0	90	1.8	4320	12.7
Балластные компоненты (стеклобой, батарейки и др. отходы)	7.0	40.0	2.8	6720	17.76
Механические потери с крупногабаритной фракцией (на сжигание)	-	-	10.0	24000	70.58
Потери (влага, пыль)	-	-	0.06	144	0.42
Обогащенная органическая фракция ( на компостирование)	-	-	63.7	152880	449.64
Реальное количество обогащенной органической фракции, принимаемое цехом компостирования при работе 305 дней в году	-	-	57.14	137140	449.64
На сжигание из цеха сортировки (суммарно за 340 дней)			36.65	87980	258.76
Итого:	-	-	-	24000	705

Примечание:
Показатели извлечения соответствуют данным промышленно-экспериментальных испытаний технологии сортировки ТБО на МПО "Полимер" (Москва).

Из таблицы 5 следует, что в результате сортировки исходных ТБО выход фракции, направляемой на компостирование, составляет около 57% от исходного (137140 т/год при работе 305 дней в году), а фракции, направляемой на сжигание - около 37% (87980 т/год при работе 340 дней в году).

После очистки компоста от примесей в отходы перейдет около 25% материала, поступившего на компостирование, что составит 34285 т за 305 суток работы или 112.4 т/час; эти отходы направляются на сжигание.

Таким образом, в цех термообработки поступает: 87980 т/год (из цеха сортировки) и 34285 т/год (из цеха компостирования), т.е. суммарно 122265 т/год (359.6 т/сут, или около 15 т/час). Иными словами, в случае комплексной переработки на сжигание направляется около 50% от исходных ТБО (вместо 100% при использовании технологии прямого сжигания исходных ТБО). Это обуславливает сокращение потребности в весьма дорогостоящем термическом оборудовании в два раза.

Аналогично сокращается потребность в биобарабанах для установки в цехе компостирования. Так, при отсутствии сортировки для прямого компостирования исходных ТБО (практика заводов СНГ) в количестве 240 тыс.т/год (786.8 т/сут при работе в три смены 305 дней в году) потребовалась бы установка 11 биобарабанов марки КМ101А диаметром 4 м и длиной 36 м (полезный объем 300 м³); в соответствии с данными практики Нижегородского завода годовая производительность одного барабана составляет 21.5 тыс. т или 71 т/сут, т.е. общая потребность в биобарабанах составляет 786.8:71=11. При использовании технологии комплексной переработки на компостирование направляется 137140 т/год обогащенной фракции ТБО (449.6:71=6), т.е. почти в два раза меньше (даже без учета увеличения плотности обогащенной фракции по сравнению с исходными ТБО) х).

На примере этого простого расчета наглядно выявляется эффективность первичной сортировки как подготовительной операции в процессе комплексной переработки ТБО (по существу технология комплексной переработки является универсальной, т.к. мало зависит от состава исходных ТБО).

Для научно-обоснованного выбора той или иной технологии необходимо учитывать не только экономические, но и экологические факторы, поскольку конечные продукты переработки и отходы производства не должны наносить вред окружающей среде (при этом ценные компоненты ТБО должны быть максимально использованы).

Наибольшее экологическое влияние на окружающую среду оказывают технологии прямого компостирования исходных ТБО, их прямого сжигания и, как ни странно, технология сортировки, если ее рассматривать как самостоятельный процесс (большое количество отходов, загрязненность готовой продукции, сложность реализации продукции и др.).

При применении технологии прямого сжигания исходных ТБО, без какой-либо их подготовки и обработки, с условием соблюдения общеевропейских требований по выбросам загрязнений в воздух, годовое количество газа при сжигании 240 тыс. т/год ТБО составит около 900 млн. м3/год, при этом выбросы пыли не превысят 20 т/год, а общее количество тяжелых металлов - 4.5 т/год.

Выбросы тяжелых металлов как основных токсичных ингредиентов можно уменьшить за счет предварительной сортировки ТБО с извлечением черных и цветных металлов. По данным зарубежных исследований, предварительная сортировка ТБО на порядок снижает содержание тяжелых металлов в отходящих газах и является важнейшим первичным мероприятием по уменьшению токсичных выбросов.

В случае комбинации процессов "сортировка + сжигание" в термообработку ориентировочно будет поступать 200 тыс.т/год отходов, при этом в дымовых газах объемом 750 млн. м³/год выбросы пыли не превысят 16 т, а выбросы тяжелых металлов - 500 кг.

При использовании технологии прямого сжигания ТБО наряду с дымовыми газами образуются также шлак (около 55 тыс.т/год) и летучая зола (около 8 тыс.т/год); ввиду повышенного содержания в шлаке тяжелых металлов его утилизация весьма затруднительна.

При использовании технологии "сортировка + сжигание" количество шлака снижается до 45 тыс.т/год, а золы - до 6.5 тыс.т/год, причем шлак может и должен вовлекаться в промышленную переработку (производство строительных материалов по известным технологиям).

Основной недостаток использования технологии прямого компостирования исходных ТБО, без их предварительной сортировки и подготовки: большое количество (не менее 70 тыс.т/год) отходов, подлежащих складированию на полигоне, и весьма низкое качество готового продукта - компоста (компост имеет плохой товарный вид, сбывается с трудом и отличается, по данным многочисленных исследований, повышенным содержанием тяжелых металлов). Улучшение качества компоста связано с применением технологии сортировки ТБО перед компостированием (а также с совершенствованием технологии доочистки компоста от примесей).

Преимущества комплексной переработки твердых бытовых отходов

Недостатки каждого метода переработки ТБО нивелируются, если промышленную технологию строить по принципу комбинации отдельных методов переработки ТБО. Объединяющим процессом при этом является сортировка (в том числе на основе селективного сбора), изменяющая качественный и количественный состав ТБО.

Предварительная сортировка улучшает и ускоряет процесс компостирования органических веществ ТБО, облегчает очистку компоста от примесей, снижает потребную производительность оборудования для термической и биотермической обработки ТБО, улучшает состав отходящих газов, облегчает ведение процесса термообработки в оптимальном режиме (способствует стабилизации процесса сжигания).

При использовании технологии комплексной переработки в термообработку поступают не исходные ТБО, а их обогащенная фракция, из которой в основном удалены металлы, причем масса обогащенной фракции в два раза меньше, чем исходных ТБО. Отсюда резко снижается экологическое влияние дымовых газов: их объем уменьшается до 450 млн.м³/год, а годовые выбросы пыли не превысят 10 т и тяжелых металлов - 250 кг (фактически выбросы металлов будут значительно ниже).

Количество золы, образующейся в процессе комплексной переработки ТБО при очистке дымовых газов, составляет около 4 тыс.т/год. Этот тип отходов является токсичным, но в настоящее время разработаны методы его обезвреживания не только с целью захоронения, но и последующей утилизации (например, путем переработки золы в инертный стекловидный остаток, который может использоваться в дорожном строительстве, в качестве добавок к бетону, для струйной очистки изделий и т.п.).

Оценка "экологичности" технологий пеработки ТБО

Таким образом, по "экологичности" отходов промышленные технологии можно расположить в два параллельных ряда (качественная оценка): технологии с использованием термических методов и без использования термических методов.

Технологии, использующие термические методы, в порядке возрастания отрицательного экологического влияния легко располагаются в ряд:

• комплексная переработка;
• сортировка + сжигание;
• сжигание.

Соответственно технологии, не использующие термические методы, располагаются в ряд:

• компостирование;
• сортировка + компостирование;
• сортировка.

Сложнее совместить эти два ряда. Так, технология прямого компостирования предпочтительна с точки зрения отсутствия загрязнения атмосферы, но она связана с образованием большого количества отходов (30%). В то же время при использовании комплексной переработки ТБО, количество вывозимых отходов составляет 3-8%, но теоретически (хотя и маловероятно) существует разовая экологическая опасность от промышленных выбросов (долговременная экологическая опасность исключена). Поэтому по воздействию на окружающую среду обе технологии условно можно расположить в один ряд, тогда все технологии располагаются следующим образом:
1-2) комплексная переработка и компостирование;
3-4) сортировка + сжигание и сортировка + компостирование;
5) сжигание;
6) сортировка.

С точки зрения "экологичности" готовой продукции все технологии, за исключением технологии прямого компостирования исходных ТБО и их сортировки, практически равноценны, т.к. удовлетворяют требованиям действующих стандартов.

Как отмечено, по технологии прямого компостирования исходных ТБО получается компост весьма низкого качества, а по технологии сортировки - низкосортные (не считая металлов) продукты, реализация которых проблематична, вследствие чего эти две технологии являются наименее перспективными.

Поскольку по "экологичности" готовой продукции остальные технологии условно можно считать равноценными, все технологии можно расположить в следующий ряд:
1-4) комплексная переработка;
сортировка + компостирование;
сортировка + сжигание;
сжигание.
5) компостирование;
6) сортировка.

Для суммарной оценки технологии переработки ТБО были оценены по шестибалльной системе (1-е место - 6 баллов, 2-е место - 5 баллов и т.д.) в обоих приведенных рядах. В случае разделения мест сумма баллов за эти места распределялась поровну (например, в случае деления 1- го и 2-го мест обе технологии получают по 5.5 балла). Суммарная оценка в баллах технологий переработки ТБО приведена на рисунке 3.2, из которого следует, что технологии располагаются практически в тот же ряд, что и по экономическим показателям .

Таким образом, анализ показывает, что современным экономическим и экологическим требованиям в наибольшей степени соответствует технология комплексной переработки ТБО (комбинация процессов сортировки, термо- и биообработки).

Выводы и рекомендации

1. Основной тенденцией решения проблемы твердых бытовых от ходов в мировой практике является их вовлечение в промышленную переработку на основе применения интенсивных ресурсосберегающих малоотходных (в перспективе безотходных) технологий, обеспечивающих решение санитарной очистки городов с наименьшими затратами и максимально возможной выгодой, без негативного экологического влияния.
2. Современным экологическим и экономическим требованиям в наибольшей степени соответствует технология комплексной переработки ТБО (комбинация процессов сортировки, термо- и биообработки).
   Худшим из всех возможных вариантов промышленных технологий является прямое сжигание и прямое компостирование исходных ТБО (практика заводов СНГ).
3. Построение промышленной технологии по принципу комбинации отдельных методов переработки ТБО нивелирует недостатки каждого метода. Объединяющим процессом при этом является сортировка (в том числе на основе селективного сбора), изменяющая качественный и количественный состав ТБО. При этом повышается не только доля рецикла ряда компонентов ТБО, но и во многом решается вопрос удаления опасный бытовых отходов и балластных компонентов. Предварительная сортировка почти вдвое сокращает материальные потоки отходов, направляемых на сжигание и компостирование (т.е. в два раза сокращается потребность в дорогостоящем термическом и биотермическом оборудовании), улучшает и ускоряет процесс компостирования органических веществ ТБО, облегчает очистку компоста от примесей, улучшает состав отходящих газов, способствует стабилизации термического процесса.

Из материалов ВИВР (Всесоюзный институт вторичных ресурсов)