Перспективная технология переработки ТБО с получением вторичных материальных и энергетических ресурсов

К реализации предлагается технология переработки биомасс различного происхождения, в том числе и биомасс, получаемых из ТБО. Технология базируется на оригинальных отечественных разработках в областях криогенной и газовой техники, микробиологии, агрофизики, дизелестроения, технологии катализаторов и ряда других. Для наглядности и задания реального масштаба, авторы взяли в качестве объекта расчётов данные, опубликованные по проекту реконструкции завода механизированной переработки бытовых отходов МПБО-1.

В своих предложениях мы исходим из 2-х основных положений:

1. Решение проблемы переработки ТБО в городе Санкт-Петербурге должно происходить на базе и в развитие, богатого положительного опыта, который накоплен при многолетней эксплуатации МПБО-1 и аналогичных заводов, построенных в стране и за рубежом.
2. Переработка ТБО, биомассы получаемой из ТБО и биомасс другого происхождения должна происходить с одновременным получением в процессе переработки максимального количества вторичных материальных и энергетических ресурсов.

Такой подход сегодня широко используется во всём мире. В феврале 2004 года канал EuroNews показал репортаж из Швеции об использовании биомассы, получаемой из бытовых отходов, в качестве альтернативного, возобновляемого источника энергии. Из репортажа следовало, что 15% энергии в Швеции уже сегодня получают из биомассы, выделенной из бытового мусора.

Предложения по реконструкции МПБО-1

Рассмотрим, что нужно сделать, что бы при реконструкции МПБО-1 получить дополнительные вторичные материальные и энергетические ресурсы, улучшить экологические показатели и повысить рентабельность переработки ТБО.

Во-первых, предлагается в технологической схеме проекта реконструкции завода заменить процесс аэробного сбраживания биомассы на анаэробный с целью получения дополнительных вторичных энергоресурсов, с одновременной очисткой органики от тяжёлых металлов и получения дополнительных вторичных материалов за счёт гидросепарации.

Во-вторых, предлагается, получаемые вторичные ресурсы эффективно использовать, т.е. первичный биогаз подвергнуть глубокой очистке и разделению на составляющие - углекислоту (СО₂) в виде «сухого» льда (по ГОСТ на пищевую углекислоту) и метан (СН₄) в сжиженном виде, с целью обеспечения возможности их последующей реализации.

В-третьих, совместить финишную очистку компостов с созданием ещё одного восполнимого источника энергии в виде биомассы растений-очистителей, выращенных на загрязнённых компостах.

(Возможно организовать приём на очистку загрязнённых почво-грунтов с городских территорий на коммерческой основе, с их последующей реализацией, после проведения очистки с использованием сходной технологии.)

Что означает замена аэробного процесса на анаэробный

Биомасса, полученная из ТБО, должна пройти подготовку - измельчение до фракций 3-5мм, гидропульпация до 95% влагосодержания, гидросепарация неорганических включений и вторичных материалов, снижение влагосодержания до 90%, подщелачивание до рН= 7 и нагрев до 53 град. С непосредственно перед подачей в метантенк. Анаэробные микроорганизмы заносятся с оборотной водой и за счёт подачи пульпы из реактора с активным процессом в первый реактор. Оборотная система водоснабжения имеет два контура, первый - после гидросепарации через фильтр тяжелых металлов в гидропульпатор и второй –после мехобезвоживания сброженной пульпы через фильтр тяжелых металлов в гидропульпатор. Оба эти контура вымывают существенное количество тяжелых металлов из органики, тем самым облегчая окончательную очистку компостов на выходе процесса.

По конструкции метантенка авторы предлагают оригинальное решение.

Метантенк представляет собой секционный биохимический реактор непрерывного действия (БНД). Секция такого реактора - теплоизолированный сосуд ёмкостью 100 м³ (Ø 2,5 метра, высота 20 метров), снабженный всей необходимой арматурой, по сути миниметантенк. Таких секций, для переработки биомасс из 450 тыс. тонн ТБО в год, требуется 360 штук.

По литературным данным 12 вращающихся биобарабанов стоят около 10 млн.$, по нашим расчётам БНД из 360 секций будет стоить не более 5млн.$, при этом он размещается на открытой площадке площадью 4000 м² и не требует затрат на строительство производственного корпуса.

Предлагаемый БНД отличается от стандартного метантенка спроектированного по СНиП 2.04.03-85 существенными преимуществами, такими как безопасность, возможность оптимизации процесса газовыделения, наращивание производительности, мобильность.

Даже в случае отказа одной из секций, работа всего реактора не будет нарушена, т.к. секция сразу будет отключена. При малых газовых объёмах одной секции и герметичной цельнометаллической конструкции, вероятность взрыва ничтожно мала, а возможные броски давления гасятся за счёт предохранительного клапана, который защитит секцию от разрушения.

Возможность оптимизации процесса брожения и получения максимальной газоотдачи обеспечивается за счёт программного управления процессом. В сочетании с применением самых эффективных штаммов анаэробных, термофильных микроорганизмов, появляется возможность увеличить получение биогаза на 20 и более %, по сравнению с нормативами СНиП 2.04.03-85. Возможность наращивания производительности реализуется за счёт увеличения числа секций без остановки эксплуатации. Мобильность обеспечивается тем, что метантенк, в указанном исполнении, перестаёт быть строительным сооружением, а становится секционным химическим аппаратом непрерывного действия, пригодным для перевозки автотранспортом. Это позволяет монтировать и демонтировать БНД любой производительности в полевых условиях, например, на период рекультивации хранилищ осадков очистных сооружений или на время проведения работ по очистке заиленных и заболоченных водоёмов.

Таким образом, переход от аэробного сбраживания к анаэробному при той же деструкции органики даёт нам в год около 64,5 тысяч тонн биогаза, при расчётах проведённых по нормативам СНиП 2.04.03-85, а с учётом преимуществ предлагаемой технологии, эта величина может быть существенно больше.

Использование биогаза

Как эффективно использовать полученный биогаз? Известно, что биогаз, содержащий примерно 60% метана и 40% углекислоты, содержит ещё в небольших количествах сернистые соединения, углеводороды, эфиры и другие вещества, которые делают биогаз малопривлекательным для использования и непригодным для стандартного газового оборудования. К тому же теплотворная способность биогаза невелика из-за наличия в его составе балластного углекислого газа – около 5000 ккал/м³ (21000кдж/ м³) по сравнению с природным газом – 8500 ккал/ м³ (35700кдж/ м³).

В мировой практике, как правило, первичный биогаз осушают и очищают от вредных примесей, а затем используют в виде топлива. Реже поступают сообщения об извлечении из биогаза СО₂ , т.е. обогащении по метану. Делают это обычно с помощью химических и сорбционных процессов, имеющих значительную энергоёмкость и металлоёмкость.

Авторы предлагают первичный биогаз, после его осушки и очистки от примесей, подвергнуть физическому разделению с помощью низкотемпературного охлаждения и вымораживания из биогаза углекислоты (СО₂) в виде «сухого» льда (по ГОСТ на пищевую углекислоту), который может быть легко переведён в жидкое или газообразное состояние для дальнейшего использования или транспортировки. Как показывают расчёты из 64,5 тысяч тонн биогаза можно получить до 40 тысяч тонн «сухого» льда в год. Важнейшими потребителями углекислоты являются промышленность (сварка, струйная очистка загрязнённых поверхностей), пищевая промышленность (цеха быстрой заморозки), торговля и транспортировка скоропортящихся грузов, тепличные хозяйства, метеорология (организация искусственных осадков) и др. Выход на рынок с таким количеством дешевой и качественной углекислоты может обеспечить годовой доход в десятки миллионов рублей.

Обогащённый биогаз будет содержать до 5% СО₂, что вполне соответствует некоторым сортам природного газа. Из 64,5 тысяч тонн первичного биогаза можно получить 31 млн. м³ обогащённого метана. (Электростанция использующая этот газ будет производить в год порядка 80-85 млн. кВт-час электроэнергии и до 60 тыс. Гкал тепла.).

Предлагаемый вариант требует меньших капитальных вложений, чем при строительстве электростанции, но даёт соизмеримый объём годовой реализации. Использование низкотемпературного метода разделения биогаза позволяет осуществить доочистку обогащённого биогаза от СО₂ и подвергнуть метан сжижению с помощью дополнительного стандартного криогенного азотного контура, выпускаемого отечественной промышленностью. При этом в год можно получить до 30млн. куб. метров жидкого метана.

Жидкий метан пригоден для газоснабжения посёлков удалённых от газопроводов, для применения в качестве аварийного топлива в газовых котельных и как «чистое» топливо для автотранспорта. В Ленинградской области цена на жидкий природный газ для муниципальных котельных составляет 2.25 руб. м³ , а это, для указанного объёма производства, более 60 миллионов рублей годового дохода (получаемый метан является более чистым аналогом жидкого природного газа).

Как эффективно очищать загрязнённые компосты

Наиболее дешевым и эффективным способом очистки загрязнённых компостов является метод «фитогенеза» - фотосинтеза растений-очистителей, высаженных на очищаемом компосте. (Для подготовки почв, пригодных для выращивания этих растений, требуется смешивать компосты после БНД с «балластными» почвами, торфом или опилками).

Наличие свободной энергии и углекислоты позволяют интенсифицировать процесс очистки за счёт организации искусственного фотосинтеза растений-очистителей на закрытом грунте. При этом утилизируется углекислота и поставляется в атмосферу чистый кислород - на 500тыс. куб. метров очищаемых грунтов это примерно 7 тыс. тонн углекислоты и 5 тыс. тонн кислорода. Получаемая в процессе фотосинтеза биомасса растений с техногенными загрязнениями, совместно с сжигаемой частью ТБО, в основном древесиной, подлежит сжиганию в пиролизном газогенераторе, питающем газовые дизель-генераторы, которые производят электроэнергию и тепло в достаточном количестве для внутреннего потребления и реализации. Техногенные загрязнители при этом концентрируются в золе, а выхлопные газы дизелей проходят каталитическое дожигание с целью разложения диоксинов и восстановления окислов азота. Зола подлежит связыванию и захоронению.

В перспективе в качестве «балластных» почв возможно использовать почво-грунты городских территорий с техногенными загрязнениями с целью их совместной очистки, т.е. принять в год на очистку до 250 тыс. м3 почво-грунтов (или донных отложений) с последующей реализацией до 500 тыс. м3 высокопитательных почв сельскохозяйственного назначения или чистых грунтов различной плотности для формирования территорий под застройку. Последние обстоятельства могут стать доминирующими в структуре доходов предприятия.

Итоговые результаты расчётов приведены в Таблице1.

Таблица1.

Итоговая таблица инженерно-экономических расчётов по вариантам реконструкции МПБО-1.

Параметры	По проекту реконструкции		По предложениям авторов
	Годовой объём	Годовая реализациямлн. рублей	Годовой объём	Годовая реализация,млн. рублей
Вторичные материалы, полученные при механизированной сортировке.	113 тыс. тонн	120	113 тыс. тонн	120
Вторичные материалы, полученные при гидросепарации	нет	0	10 тыс. тонн	15
Вторичные материалы из биомассы ТБО :- углекислота в жидком и твёрдом виде; - метан в жидком виде
	нет	0	20 тыс. тонн	60
	нет	0	30 млн. куб. метров	67
Вторичная электроэнергия	0	0	20 млн. кВт-час	20
Вторичное тепло	нет	0	80 тыс. Гкал.	40
Компост*	200 тыс. куб. метров	20	200 тыс. куб. метров	40
Потребление электроэнергии	12 млн. кВт-час	-12	Нет	0
Потребление природного газа	3 млн. куб. метров	-3	Нет	0
ИТОГО годовая реализация		125		362

* - компост, полученный по предлагаемой технологии, содержит тяжелые металлы в концентрациях в 5-15 раз меньших, чем в базовой технологии, и имеет большую рыночную цену.

В экологическом плане предлагаемая технология обеспечивает:

отсутствие опасных выбросов и стоков, максимальную концентрацию загрязнителей и минимальный объём захоронений, минимальный возврат загрязнителей в окружающую среду;
• возможность планомерной очистки загрязнённых городских территорий, т.е.формирование «искусственной биосферы» мегаполиса, изъятие из окружающей среды опасных для человека загрязнителей, сокращение выбросов «парниковых» газов и возврат на их место чистых грунтов и кислорода;
исключение возможности вторичных загрязнений окружающей среды (в отличие от сегодняшней практики полигонов ТБО, захоронения загрязнённых грунтов, донных отложений и загрязнённых компостов); поставку в окружающую среду чистого кислорода, чистых грунтов, очищеного метана (без примесей серы), электроэнергии и тепла, произведённых экологически чистым способом и других чистых вторичных ресурсов.

Такой подход к решению проблемы переработки ТБО и биомасс наилучшим образом позволяет решать экологические проблемы города при максимальных экономическом и социальном эффектах с одновременным решением вопросов, загрузки Санкт-Петербургской промышленности, занятости населения и, в конечном счёте, реального роста ВВП.

Ермаков Е.И.
проф., д.с/х.н., руководитель лаборатории Агрофизического НИИ;
Кнатько М.В.,
генеральный директор НТЦ «Технологии ХХI века»;
Колосов А.И.,
главный технолог ГУПП «ИЦЭР»;
Орлов Е.И.,
зам. генерального директора по науке Центрального научно-исследовательского дизельного института;
Плисс Б.М.,
директор ОКТБ «Экоинж»;
Пелищук В.К.,
д.м.н., главный научный сотрудник Федерального НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека;
Суетинов В.П.,
к.т.н., главный специалист ОКТБ «Экоинж».