Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Обоснование технологий утилизации бытовых отходов с учетом их воздействия на окружающую среду

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологий утилизации бытовых отходов с учетом их воздействия на окружающую среду"

На правах рукописи

СЭМ ДОБРЕНКО

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ УТИЛИЗАЦИИ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ С УЧЕТОМ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Специальность: 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005059045 ^ ШШ

Москва - 2013

005059045

Работа выполнена на кафедре безопасности жизнедеятельности Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Пряхин Вадим Николаевич

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Гостищев Дмитрий Петрович

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП)

кандидат технических наук

Соколов Андрей Дмитриевич

ОАО "Институт организационных технологий в жилищно-коммунальном хозяйстве "Иноргтехком"

Ведущая организация: ЗАО «Производственное объединение Совинтервод»

Защита состоится: 21 мая 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу; 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 1/201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Автореферат диссертации размещен 18 апреля 2013 года на официальном сайте ФГБОУ ВПО МГУП по адресу: http:/www.msuee.ru/html/19 l.html

Автореферат разослан « 18 » апреля 2013года

Ученый секретарь кандидат технических паук

диссертационного совета

Сурикова Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований:

По данным Росприроднадзора ежегодно в Российской Федерации (РФ) образуется более семи миллиардов тонн отходов, включая промышленные, бытовые и сельскохозяйственные отходы. Из них 30 миллионов тонн (или 150 млн. мЗ) - твердые бытовые отходы (ТБО). Более 85% ТБО складируется на полигонах и свалках различного типа, 5% проходят вторичную переработку и около 10% теряются при транспортировке. Прирост объёмов ТБО в РФ стал превышать объём их утилизации. В то же время увеличивается стоимость захоронения ТБО на полигонах. С другой стороны, постоянный рост стоимости сдачи ТБО на захоронение и растущий дефицит территорий захоронения приводит к увеличению количества несанкционированных свалок, которых в 34 раза больше, чем зарегистрированных полигонов захоронения ТБО.

Поскольку быстрый рост объёмов ТБО и дефицит территорий их захоронения приводит к постоянному увеличению концентрации опасных компонентов ТБО в окружающей природной среде (ОПС), оценку опасности (критичности) полигонов захоронения следует проводить с учётом постоянной аккумуляции загрязнителей в атмосфере, водном бассейне и литосфере.

Сегодня ОПС требует применения инженерной защиты от загрязнения и других видов антропогенных воздействий, основными направлениями которой являются: исследование и внедрение ресурсосберегающих, безотходных и малоотходных технологий, биотехнологии, утилизация и максимальная детоксикация отходов и экологизация производств.

Исследованиями в этой области занимались многие отечественные и зарубежные ученые: Л. Я. Шубов, А, И. Голованов, В. Н. Пряхин, Д. П. Гостищев, В. И. Сметании, А. Е. Касьянов, В. Н. Рыбкин, Л. Я. Ставровский, С. С. Юфит, В. Н. Иванов, Ф. Сиссот, И. Юон, Д. Вульф и другие, которые исследовали процессы утилизации отходов и тесно связанные с ними технологические процессы мелиорации и охраны земель.

С целью минимизации объёмов вредных отходов и уменьшения их воздействия на ОПС применяют: бессточные и водооборотные технологические системы и циклы, базирующиеся на очистке сточных вод (СТВ); выпуск новых видов продукции, в которую заложена возможность её повторного извлечения из ТБО и использования; переход к новым системам переработки вторсырья, исключение или сокращение технологических стадий, образующих отходы, в том числе и твёрдые промышленные отходы (ТПО).

В РФ многолетнее потребительское отношение к природе и восполнение деф ицита энергии и материалов наращиванием их производства, привели к тому, что около шестой части валового общественного продукта в стране сегодня используется неэффективно.

Таким образом становятся актуальными вопросы утилизации СТВ, ТПО и ТБО. При этом представляется важным исследование, разработка и обоснование параметров новых малоотходных и ресурсосберегающих систем разделения и утилизации бытовых отходов.

Гидросепарация компонентов ТБО может быть одной из важнейших технологий в разделении и утилизации ТБО.

Цель исследований — обоснование применения гидросепарации твердых бытовых отходов, как одного из видов промышленного разделения отходов.

Для достижения цели исследований были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методики оценки экономической целесообразности и экологической необходимости переработки различных компонентов ТБО, определяющей технологическую последовательность модулей сортировки.

2. Исследование и разработка методики оценки экологичности технологических процессов утилизации.

3. Исследование свойств бытовых отходов и установление степени их влияния на окружающую природную среду.

4. Разработка и исследование системы гидросепарации обеспечечивающей экологическую безопасность при обращении с отходами в условиях природных и техногенных воздействий.

5. Определение степени риска при загрязнении окружающей среды отходами с учетом современных методов контроля загрязняющих веществ.

6. Обоснование возможности создания технологических линий переработки ТБО на основе специализированных модулей.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- определено место гидросепарации в технологических линиях переработки ТБО на основе специализированных модулей переработки компонентов ТБО, не подлежащих разделению другими методами;

- доказана необходимость создания модульных технологических линий переработки ТБО на основании основных параметров объектов утилизации отходов;

- разработана методика оценки экономической целесообразности и экологической необходимости переработки различных компонентов ТБО, определяющая технологичскую последовательность модульной сортировки (включая модуль гидросепарации ТБО);

- доказана целесообразность использования эффекта Томса для интенсификации процесса гидросепарации ТБО;

- разработана система гидросепарации ТБО, обеспечечивающая экологическую безопасность при обращении с отходами в условиях природных и техногенных воздействий.

Достоверность результатов подтверждается хорошей воспроизводимостью выполненных исследований, положительным опытом их внедрения в производство, а также совпадением результатов теории и эксперимента.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложен новый подход и инструментарий, необходимые для принятия рациональных решений по управлению технологическим процессом сортировки ТБО. Разработка защищена двумя авторскими свидетельствами РФ на изобретение и одним патентом на полезную модель. Предложена методика оценки экономической целесообразности и экологической необходимости переработки различных компонентов ТБО, определяющая технологическую последовательность модулей сортировки.

Основные положения, выносимые на защиту:

• обоснование модели модульных технологических линий переработки твердых бытовых-отходов с целью минимизации массы ТБО не подлежащей обработке;

• использование водорастворимых полимеров для интенсификации процесса гидросепарации ТБО;

• обоснование возможности создания модульной системы технологической линии непрерывной сортировки ТБО с модулем гидросепарации для сортировки мелких фракций отходов;

• разработка системы оценки экономической целесообразности и экологической необходимости переработки различных компонентов ТБО, определяющей технологическую последовательность модулей сортировки;

• разработка системы гидросепарации обеспечечивающей экологическую безопасность при обращении с ТБО в условиях природных и техногенных воздействий.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международных научно-практических конференциях по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности, г. Москва, 2008-2012 гг.; Международной н.-п. конференции АРМЕН ПАК, г. Ереван, 2008 г.; Международной н.-п. конференции по инвестициям и развитию республики Бангладеш, Нью-Йорк, 2010 г. Внедрение речультатов работы.

Результаты работы внедрены в учебный процесс МГУП (в УМК дисциплин «Безопасность жизнедеятельности», «Основы токсикологии» и «Медико-биологические основы БЖД»).

Личный вклад автора

Все результаты диссертации получены автором лично, наиболее существенными из них являются:

1. Определение параметров систем гидросепарации ТБО.

2. Доказательство целесообразности использования эффекта Томса для интенсификации процесса гидросепарации.

3. Обоснование индекса выгоды сбыта и его применения для разработки оптимальной технологической цепочки переработки ТБО.

4. Введение коэффициента актуальности инвестиций в технологии переработки ТБО.

5. Обоснование введения индексов экстренности переработки отходов с целью обоснования выбора числа модулей на участках технологической цепочки переработки.

6. Введение понятий попутного и встречного финансирования при управлении потоками производимых отходов.

Публикации.

Основные положения диссертационной работы отражены в 35 публикациях, в том числе: 3-х статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2-х авторских свидетельствах на изобретение и одном патенте на полезную модель.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Содержит 170 страниц текста, включая 37 рисунков, 32 таблицы, 207 наименований использованных литературных источников, в т.ч. 10 зарубежных и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Показано современное состояние проблемы управления отходами в РФ, а также пути совершенствования и научно-технического обеспечения управления отходами.

Глава 1. Общая характеристика работы. В главе дан аналитический и литературный обзор отечественных и зарубежных научных и технических источников; приведена классификация источников загрязнения окружающей природной среды; показана классификация отходов, их свойств и видов их сепарации; даны выводы и произведена постановка задачи исследований.

Создание эффективных технологий утилизации бытовых отходов с учетом их воздействия на окружающую среду является важнейшим рычагом обеспечения экономической эффективности систем управления качеством окружающей среды.

На рис. 1 представлена классификация основных видов сепарации отходов, которые наиболее часто применяются в промышленном и сельскохозяйственном производствах, а также в коммунально-бытовом секторе. Классификация видов сепарации дает возможность определить основные параметры процессов разделения отходов, в число которых входят показатели аэро- и гидросепарации.

Рис. 1. Классификация основных видов сепарации отходов и способы их реализации: разделение в различных средах и разделение в различных полях (искусственных, т.е. требующих дополнительных затрат энергии и натуральных - не требующих дополнительных затрат энергии)

В главе дана характеристика источников загрязнения ОПС, и установлено, что они классифицируются в зависимости от объекта загрязнения: атмосферы, гидросферы и литосферы. В главе 1 подробно рассмотрены источники загрязнения воздушного бассейна и даётся анализ причин бесконтрольного наращивания объёмов ТБО, подлежащего захоронению.

В главе 1 также указывается, что в настоящее время бюджетные затраты направлены преимущественно на сбор, переработку и захоронение ТБО. Назовем такой способ финансирования «сопутствующим финансированием» (СФ). При СФ предприятия-производители продуктов потребления (являющиеся в то же время производителями отходов) и потребители продуктов потребления (1ГП) мало заинтересованы в снижении объемов ТБО и несут малую ответственность за производимые отходы. В то же время утилизаторы отходов заинтересованы в больших объёмах поставляемого ТБО.

Чтобы остановить такой затратный процесс следует направить бюджетное

финансирование на:

7. Введение финансовой заинтересованности производителей отходов в уменьшении объёмов производимых ТБО.

8. Проведение постоянного контроля соотношения объёмов ввозимого каждым производителем отходов исходного сырья и произведённых из него ТБО.

9. Введение жестких санкций (вплоть до закрытия предприятий) за сокрытие, незаконный выброс или захоронение ТБО.

10. Финансовое поощрение производителей и потребителей ТБО за качество раздельного выброса ТБО.

11. Финансовое поощрение утилизаторов ТБО за применение эффективных технологий, уменьшающих как объём ТБО, подлежащий захоронению, так и необходимых площадей их захоронения.

12. Введение общегосударственной системы компьютеризированного учёта и контроля оборота материалов и производимых из них отходов (в том числе - ТБО).

13. Введение жёстких санкций (вплоть до закрытия предприятий) за переквалификацию ТБО в разряд других видов отходов, например промышленных или сельскохозяйственных.

14. Принятие новых законов и введение более строгой уголовной ответственности за ввоз мусора из других стран без разрешения федеральных властей, или обманным путём.

15. Введение интенсивного бюджетного финансирования производства малоотходных или

6

безотходных продуктов потребления, включая разработку новых малоотходных продуктов потребления (МГ1П) и принятия их к производству на конкурсной основе. Назовем такой способ финансирования «встречным финансированием» (ВФ). Встречное финансирование (в отличие от сопутствующего) позволит эффективно использовать бюджетные средства и сократить темпы безудержного роста объёмов производства ТБО (рис. 2). Применение встречного финансирования позволит эффективно расходовать бюджетные средства на ресурсосберегающие технологии, производство безотходных или малоотходных продуктов потребления и стимулировать бережное отношение к материальным ресурсам, чем будет тормозить бесконтрольное производство ТБО. Использование встречного финансирование в условиях единой государственной программы учёта всех объёмов ТБО от производителей и объёмов ТБО, перерабатываемых утилизаторами позволит уменьшить общий объём производимых отходов и повернуть от высокозатратного бюджетного финансирования к малозатратному и прибыльному.

Глава 2. Обращение с твёрдыми бытовыми отходами. В главе представлены свойства отходов, экологическая безопасность и риск при обращении с отходами. Описаны и исследованы современные методы контроля загрязняющих веществ, переработки и использования отходов. Предложена модульная система переработки ТБО.

Для создания высокоэффективных технологических линий сортировки ТБО необходимо создание модулей по каждому основному виду сортировки, наиболее подходящему для каждого вида и параметра извлекаемого материала.

Пример составления технологической цепочки модулей сортировки ТБО в системе утилизации показан на рис. 3.

Загрузочнно-

распредели•

тельное

устройство, «ключа« MAC /

просмотр

ТБО м

подготовку к

сепарации

J

Рис. 3. Технологическая цепочка модулей сортировки ТБО:

MAC - модуль аэросепарации; МЭМС - модуль электромагнитной сортировки постоянным полем; МЭБП - модуль электромагнитной сортировки «бегущим» полем; MPC - модуль ручной сортировки и визуального контроля отходов; МБС - модуль баллистической сепарации; МВГ - модуль вильчатого грохочения; МЭС - модуль электросепарации; МГТ -модуль грубого грохочения; МТГ - модуль тонкого грохочения; МГС - модуль гидросепарации; МБП - модуль биотехнологической переработки.

При проектировании технологической линии переработки ТБО следует обращать внимание на экономическую ценность вторсырья (компонента ТБО). Нами предложен индекс ВЫГОДЫ сбыта (Исбыта)> представляющий из себя произведение рыночной цепы сбыта отделённого компонента ТБО на его процентное содержание в общей массе перерабатываемого ТБО.

Исбыта = Цсбыта'Дкомп > О)

где Цсбыта- цена сбываемого компонента вторсырья (руб./т);

Дкомп - процентное содержание компонента вторсырья в общем объёме ТБО.

В таблице 1 представлены индексы выгоды сбыта по морфологическому составу ТБО.

1. Индексы выгоды сбыта основных компонентов ТБО.

Морфологический состав ТБО (данные Росприроднадзора)

Бумаг а, картой |и т.п. (22%) Пищевые и растительные отходы (3 5%) Черные металлы (4%) Цветные металлы (0,7%) Текстиль (5,5%) Стекло (7,0%) Пластмасса высокой плотности п Полимерная шйнка (4,0%) Кожа, резина (1,5%) Дерево (1,5%) Ж в а. х 2 «о 1 Прочее, включая отсев (14,3%)

Цена, руб./т 2400 50 3500 50000 1700 1300 25000 12000 10000 4500 Малоценка 1 руб./т

Индекс выгоды сбыта, руб./т 528 7 140 350 93,5 91 500 480 150 67,5 1 I

Технологический процесс переработки ТБО должен также учитывать степень угрозы каждого компонента ОПС, что определит, насколько экстренно необходима его переработка. В связи с этим нами введены эмпирический коэффициент угрозы ТБО (Кугр.) окружающей природной среде и индексы экстренности переработки основных компонентов ТБО (Изкпр). При этом Кугр. принимаем минимальным 103 для безвредных компонентов: бумаги, текстиля и древесины, а максимальным ]04 - для пищевых и прочих органических и впитавших органику отходов, которые являются питательной средой для развития патогенных микроорганизмов и грибков. Для остальных компонентов ТБО Кугр назначается эмпирически в диапазоне от 103 до 104 (см. рис. 4).

Индекс экстренности переработки компонентов ТБО (ИЭКСф.) будет представлен произведением эмпирического коэффиента угрозы компонента ТБО на его процентное содержание в общей массе перерабатываемого ТБО:

Изкстр Куф.'Дкомп* (2)

На рис. 4 приведены индексы экстренности переработки для различных компонентов ТБО (в условных единицах).

Как видно из таблицы 1 наиболее выгодными для сбыта являются вторичиые бумагопродукты, металлы и пластики. При применении только методов гидросепарации, как это применяется в существующих технологиях их разделения увлажнение макулатуры приводит к потере для сбыта самого выгодного компонента ТБО. Это значит, что основные крупные компоненты ТБО должны быть отделены до начала процесса гидросепарации для сохранения их ценности и уменьшения дополнительных затрат на их очистку, обезжиривание, дезинфекцию и сушку.

Для каждого компонента ТБО следует подбирать наиболее эффективные методы отделения и переработки. При этом индексы выгоды сбыта компонентов ТБО должны определять последовательность процессов в технологической цепочке переработки ТБО, а индексы экстренности переработки должны определять производительность каждого участка технологической цепочки переработки ТБО.

Сравнение индексов выгоды сбыта и экстренности переработки различных компонентов ТБО (рис. 5) показывает, что пищевые, растительные и прочие, включая отсев компоненты ТБО, составляющие приблизительно половину объёма ТБО, практически не имеют сбыта.

Ситуация, когда половина привозимых па сортировку и переработку компонентов ТБО не подлежат прямому сбыту, приводит к необходимости инвестиций в новые эффективные технологии переработки различных компонентов ТБО и, прежде всего, органических отходов.

Для оценки такой необходимости мы ввели коэффициент актуальности инвестиций

(Каи):

Каи ~ ЬСЭКСТр./Исбыта. (3)

В таблице 2 приведены коэффициенты актуальности инвестиций на основе сравнения коэффициентов экстренности переработки различных компонентов ТБО и индексов выгоды сбыта. Па основе таблицы 2 можно предположить, что гидросепарациию выгодней всего применять для обработки пищевых, растительных и прочих отходов, включая отсев, составляющих практически половину массы ТБО, привозимой на обработку. Экономически это увеличит извлечение вторсырья, подлежащего сбыту (расчеты приведены в главе 5). Экологически это позволит произвести своевременное обеззараживание органических отходов и уменьшит объём отходов, подлежащих захоронению.

На основании коэффициентов актуальности инвестиций можно определить компоненты ТБО, определяющий первоочерёдность разработки новых технологий с целью дополнительного извлечения полезных ингредиентов ТБО, получения нового продукта или уменьшение остатка ТБО, требующего захоронения на полигонах.

2. Коэффициенты актуальности инвестиций на основе сравнения коэффициентов экстренности переработки различных компонентов ТБО и индексов сбыта.

Бумага, картой и Т.Н. (22%) __ з Ш с 8. Б Черные металлы (4%) Цветные металлы (0,7%) Текстиль (5.5%) 1 Стекло (7,0%) Пластмасса высокой рлотности Ь 0%1 Полимерная пленка (4,0%) Я О. !--. Дерево (1,5%) к" й 2 * II Кости (1%) Прочее, включая отсев (14,3%)

Инаеке выгоды сбыта (руб./т) 528 7 140 350 83 91 500 480 150 68 1 1 1

Индекс экстренности переработки (У-е) 220 3500 80 14 55 140 180 360 30 15 15 100 1430

Коэффициент актуальности инвестиций (т/руб.) 0.42 500.00 0.57 0.04 0.7 1.54 0.36 0.75 0.20 0.22 15.00 100.00 1,430.00

Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования технологического процесса гидросепарации. В главе дан сравнительный анализ аэро- и гидросепарации ТБО, представлена классификация и этапы технологического процесса гидросепарации, рассмотрены методы и разработана методи ка экспериментальных исследований процесса гидросепарации, проведено исследование эффективности и качества гидросепарации.

Для создания промышленных линий переработки ТБО требуется установить границы перехода от методов аэросепарации к гидросепарации. Необходимость определения границ применения аэро- и гидросепарации потребовала проведения сравнительного анализа этих методов, что в свою очередь позволит определить место гидросепарации ТБО в технологической цепочке их промышлеттой переработки. На основе общеизвестных формул нами было произведено сравнение параметров Ке 2С для тела, витающего в воздухе и в жидкости:

|V. п СГр

Яе I Св = ——Т——— - параметр для тела, витающего в воздухе; (4)

Мв

Яегж Сж = тРжЗ(Рг—Рж) _ uapamg.jp ддЯ тела, витающего в жидкости, (5) Мж

где УТ- объём тела в м3; рт, р„ и рж - плотности тела, воздуха и жидкости (кг/м3), Сж и С8 - коэффициент лобового сопротивления жидкости и воздуха движению тела, Лев и Неж - числа Рейнольдса для воздуха и жидкости, ц„ и цж - коэффициенты вязкости соответственно воздуха и жидкости (кг'с/м2).

В соответствии с диаграммой Лященко число Рейнольдса тела, витающего в воздухе, всегда больше 1, а для тела, витающего в жидкости - может быть меньше 1 или равным нулю. Поскольку процессы аэросепарации и гидросепарации базируются на скорости витания тел в средах, можно сделать вывод, что процесс гидросепарации обладает большими возможностями разделения мелких фракций, чем процесс аэросепарации. Чтобы определить эти возможности, мы сравнили форм улы скорости витания твердого тела в воздухе и в жидкости:

Re„ ип

WP = ——— - скорость витания твердого тела в воздухе; (о)

РЛ

W,K = - скорость витания твердого тела в жидкости. (7)

Рж ^т

Формулы можно представить также в виде: Re v

= (8) lT

Re v

W(9) Г

где vB и уж - кинематическая вязкость воздуха и жидкости соответственно (м /с)

1г~ характерный размер тела

Полагая, что в технологических процессах аэросепарации и гидросепарации vB и уж являются величинами постоянными, приходим к выводу, что на процесс разделения компонентов по скорости витания влияет соотношение ЯеДт, который назовем параметром чувствительности.

В реальных же условиях на vB и уж влияет прежде всего температура воздуха и жидкости. Причём при изменении температуры кинематическая вязкость воздуха изменяется значительно меньше, чем кинематическая вязкость жидкости. Из формулы (9) следует, что скорости витания твёрдого тела в жидкости прямо пропорциональна кинематической вязкости жидкости.

Учитывая то, что число Рейнольдса для воздуха (Re„) всегда положительно и превышает число Рейнольдса для жидкости (Re*,), при сепарации малых характерных размеров компонентов ТБО (1Т), процесс аэросепарации не способен так же эффективно разделять мелкие компоненты ТБО, как процесс гидросепарации. Поэтому экономически целесообразно применять процесс гидросепарации для дополнительного извлечения таких компонентов как бумага и полимерная пленка после процесса аэросепарации.

На основании теоретических расчётов нами был проведен эксперимент. Методика экспериментальных исследований процесса гидросепарации ТБО базировалась на

• изучении поведения твёрдых тел (отходов) в рабочей жидкости

• изучении поведения рабочей жидкости, в которой находятся твёрдые тела (отходы)

• применении принципов подобия при физическом моделировании ' процесса

гидросепарации ТБО.

Ввиду многофакторности процесса гидросепарации ТБО эксперимент потребовал большого количества повторов при различных режимах. На рис. 7 представлена лабораторная установка для исследования влияния раствора полимера на рабочую жидкость (использование эффекта Томса) в процессах гидросепарации ТБО. Эффект Томса заключается в том, что при добавлении к воде водорастворимых полимеров потери на трение уменьшаются в несколько раз.

При проведении эксперимента был применён раствор порошка линейного полиакрнламида (ПАА). Эксперимент проводился в лаборатории ASA College, Нью-Йорк. В

качестве рабочих резервуаров гидросепарации использовались резервуары ультразвуковой очистки оборудования со встроенными генераторами ультразвука Pulsatron RT фирмы Guy son International Limited.

В процессе эксперимента было проведено 750 вбрасываний (заполнений) по 20 кг каждое ТБО в технологические резервуары 1 и 2. При этом состав вбрасываемого ТБО подбиршіся на основе данных Росприроднадзора для мелких фракций ТБО (менее 200 мм), составляющих в среднем более 40% от всего объёма производимого ТБО (табл. 3).

3. Приблизительный состав ТБО, вбрасываемого в лабораторных экспериментах

Компоненты Содержание фракций до 200 мм Масса фракций, кг

Бумага, картон и т.п. 18% 3,66

Пищевые и растительные отходы 42% 8,32

Черные металлы 3% 0,64

Цветные металлы (алюминий) 1% 0,17

Текстиль 3% 0,52

Стекло 8% 1,66

Пластмасса (высокой плотности) 2% 0,44

Полимерная пленка 3% 0,61

Кожа, резина 2% 0.34

Дерево 0% 0,05

Камни, керамика 1% 0,18

Кости 1% 0,24

Прочее (включая отсев -15мм) 16% 3,16

ИТОГО: 100% 20,00

Опыты по вбрасыванию ТБО в резервуар 1 (рис. 6.) состояли из:

• 25-ти серий по 3 вбрасывания в воду с раствором полимера при температуре 10-20°С;

• 10-ти серий по 6 вбрасываний в воду с раствором полимера при температуре 30-40°С;

• 30-ти серий по 3 вбрасывания в воду с раствором полимера при температуре 30-40°С и воздействии ультразвука;

• 15-ти серий по 6 вбрасываний в воду с раствором полимера при температуре 30-40°С и воздействии ультразвука.

Опыты по вбрасыванию ТБО в резервуар 2 состояли из:

• 25-ти серий по 3 вбрасывания в воду без раствора полимера при температуре 10-20°С;

• 10-ти серий по 6 вбрасываний в воду без раствора полимера при температуре 30-40°С;

• 30-ти серий по 3 вбрасывания в воду без раствора полимера при температуре 30-40°С и воздействии ультразвука;

• 15-ти серий по 6 вбрасываний в воду без раствора полимера при температуре 30-40°С и воздействии ультразвука.

План проведения эксперимента приведен в табл. 4.

В первой части эксперимента в резервуаре №1 (с добавкой раствора ПАА) и в резервуаре №2 (без добавки раствора ПАА) мы провели процесс гидросепарации равных количеств ТБО (три вбрасывания по 20 кг). При этом было установлено, что при добавлении раствора ПАА в концентрации его в технологическом резервуаре 0,15 — 0,20 г/л, процесс гидросенарации ускоряется примерно в 4 - 5 раз.

Вторая часть эксперимента, проводимого на данной установке, посвящена исследованию влияния ультразвукового поля различного частотного диапазона и различной интенсивности на процесс гидросепарации ТБО. В эксперименте использовались частоты звукового поля от 400 до 500 кГц с расчетной эффективностью 15 ... 20 Вт/см2.

4. План проведения эксперимента

Te(Vf-ep»rvpa число вбряг.ываий и номер резервуара Разделение TSO в воде с реет во рем Разделение ТБО а »оде е раствором полимара и воздействии ультразвука Разделение ТБО в обычной вод» (См раствора полимера) (к-во сарий обычной «оде (без раствора полимера) и воздействии ультразвука (к-во серий) Нодлара вбрасываний (заполнений) ТБО а резервуары по

Температура Число вбрасыааий |ипол*.««Я) Номер резервуара Количество серий ев олнения резервуаров

10-20'С 3 і 25 001 -150

10-20°С 3 2 25

10-20'С 6 1 10 151 - 270

10-20'С 6 2 10

30-40*С 6 1 10 271 - 390

30-WC 3 2 10

30-40'С 3 1 30 391-570

30-40'С 3 2 30

30-40°С 6 X 15 571-750

30-40'С 6 2 15

Третья часть эксперимента заключалась в определении влияния температуры рабочей жидкости (10-20°С и 30-40°С) на процесс гидросепарации ТБО.

Рис. 6. Лабораторная установка эксперимента по гидросепарации ТБО: резервуар 1 - для гидросепарации с использованием раствора порошка 'линейного полиакриламида в водопроводной воде; резервуар 2 — для гидросепарации в водої іроводной воде без добавок

В реальных условиях производства в технологическое время цикла гидросепарации ТБО включается время слива технологической жидкости из резервуаров гидросепарации в резервуары биопереработки. Поэтому в процессе эксперимента кроме времени разделения ТБО определялось также время слива рабочей жидкости. Суммарное технологическое время (СТВ), как сумма времени разделения и времени слива рабочей жидкости из резервуара гидросепарации, определялась по результатам серий экспериментов, проводимых при различных условиях гидросепарации ТБО. Результаты приведены на рис. 7.

При проведении экспериментов по разделению ТБО были проведены также исследования по сдуву с поверхности технологического резервуара флотирующих компонентов. Исследования показали, что операция сдува не эффективна для мелких флотирующих фракций ТБО и не может быть рекомендована для технологических линий переработки ТБО. В реальных условиях производства мелкие фракции ТБО из рабочей жидкости должны извлекаться принудительно, что должно быть учтено при проектировании технологического модуля гидросепарации ТБО.

- РазделениеТБОвводес раствором полимера

Суммарное технологическое время (разделение+слив 10- 20С) (сек)

- Разделение ТБО в обычной воде Суммарное технологическое время (разделение + слив 10-20С) (сек)

• Разделение ТБО в воде с раствором полимера

Суммарноетехналотческое время (разделений слив 30-40С) (сек)

• Разделение ТБО в обычной воде Суммарное технологическое время (разделение + слив 30 - 40С) (сек)

- Разделение ТБО в воде с раствором полимера и воздействии ультразвук Су м м а рн ое техн ологич ее кое время (разделение+слив30-40С) (сек)

- РазделениеТБО в обычной воде и воздействии ультразвука Суммарное технологическое время (разделение+слив30-40С) (сек)

COI 002 003 004 005 006 007 COS 009 010 Номер серии

Рис. 7. Сравнение суммарного технологического времени серий вбрасывания ТБО в технологический резервуар в экспериментах по гидросепарации ТБО при различных условиях

При серийном вбрасывании компонентов ТБО в рабочую жидкость технологического резервуара каждая последующая порция разделяется медленней предыдущей. Происходит «насыщение» рабочей жидкости (рис. 8). При обработке результатов эксперимента были введены, расчитаны и исследованы коэффициенты насыщения рабочих жидкостей в различных состояниях.

к _ (fn-tL)w

г де К„аС - коэффициент насыщения рабочей жидкости компонентами ТБО (0>Кнас<1); п - количество вбросов порций ТБО в данной серии эксперимента; и, \2,- время разделения ТБО в рабочей жидкости данной серии эксперимента.

(10)

Например, в одной из серии эксперимент было три последовательных вбрасывания ТБО в резервуар с временем разделения компонентов соответственно 102, 120 и 138 секунд. Тогда коэффициент насыщения рабочей жидкости в этой серии вбрасываний составляет:

Г138 — 102} "3

= —--- = 0,3

мас 102 + 120 + 138

Чем выше коэффициент насыщения, тем дольше происходит разделение ТБО в рабочей жидкости каждого последующего вброса. При этом в промышленных установках придётся чаще заменять рабочую жидкость в резервуаре гидросепарации. Эксперимент показал, что наилучшими показателями обладает рабочая жидкость с раствором полимера при

В главе 4 приводится разработанное нами устройство (защищенное Патентом РФ на полезную модель №115244 от 27 апреля 2012 года) для гидросепарации бытовых отходов (рис. 9).

Использование устройства обеспечивает разделение смеси в воде на плавучие, взвешенные и тонущие ингредиенты, а также исключает недостатки известных устройств, которые не имеют приспособления для удаления из камеры гидросепарации взвешенных ингредиентов.

1- межоперационный транспорт; 2- приёмный бункер; 3- боковой барабан-ротор; 4- наплавная забральная стенка; 5- конвейер; б- конвейерная лента с рифлями; 7- приёмный контейнер тонуших ингредиентов; 8- поверхностный участок конвейера; 9-наклонный участок конвейера; 10 - донный участок конвейера; 11- гибкое полотнище; 12-барабан-ротор; 13- консоли-стержни барабан-ротора; 14- горизонтальная ось вращения барабан-ротора.

Глава 5. Организация и технико-экономические показатели технологического процесса обращения с отходами. В главе: приведены исследования и даны критерии оценки эффективности системы безопасности жизнедеятельности (БЖД) и экологичности технологического процесса утилизации ТБО, дан анализ техногенных факторов воздействия на здоровье и продолжительность жизни человека, представлена методика экстремального управления несколькими объектами утилизации ТБО.

В процессе теоретического исследования и эксперимента нами установлено, что технологию пидросепарации отходов лучше всего применять для ТБО, прошедшего частичную очистку от крупных лёгких фракций (методом аэросепарации) и практически полную очистку от ферромагнитных материалов (методом магнитной сепарации) и немагнитных металлов (методами электромагнитной сепарации, например - бегущего поля). Результаты также показывают, что при составлении таблицы в порядке убывания индекса сбыта, соответствующие технологические модули также располагаются в последовательности, необходимой для оптимизации технологической линии промышленной переработки ТБО (рис. 10).

Эта зависимость даёт возможность рекомендовать применение индекса сбыта, как одного из основных параметров экономического обоснования при проектировании предприятий переработки ТБО.

В составе ТБО наиболее сложными для извлечения являются мелкие фракции, включая отсев (14,3%), которые практически не продаются и полностью подлежат захоронению. Как показал эсперимент по гидросепарации, из общей массы мелких фракций ТБО можно успешно извлекать ценные компоненты.

Пищевые и растительные отходы

(35%)

Камни, керамика

а -

Прочее. включая отсев (14,3%)

Текстиль (5-5*6-Чердые металлы (4%)

Кожа, резина (1,5%)

Цзеивые металлы (0.7%)_

Полимерная плёнка (4,0%)

Пластмасса высокой плотности (2,0%)

Брші, картон и т.п. (22%)

зшхггр еаное-гЕ п«рер*во"гелі

Икхеа

Участки переработке ТБО по видзм

Бумага, картон и т.п. (22%)

500

Плэст>1асса высокой плотности (2,0%)

Полимеры ая плёнка (4,0%)

Цветные металлы (0,7%)

Кожа,

оЗ%)

Черные

(4%)

Текстиль

(5,5%)

Стекло

(7,0%)

Дерезо (14%)

Пишевыеи растительны

Камни, керлмика

Кости (1%)

Прочее, кключая отсев (14,3%)

Ус.ю»*ый процент праизаодителъности учвепэ от общего объём»

Рис. 10. Схема последовательности технологических модулей линии переработки ТБО, по которой определяется индекс сбыта (Исбыга), при этом суммарная производительность модулей пропорциональна индексу экстренности переработки (Кжсг)-

На предприятиях переработки ТБО содержание мелких фракций бумаги и, доставляемых отходов обработке зависит от многих факторов. На практике содержание мелких фракций варьируется от пропорционального содержанию компонентов в общей массе ТБО до смещённого в сторону пищевых отходов (табл. 3). Предположим, что содержание мелких фракций бумаги и пластмассы в мелких фракциях аналогично их содержанию в общей массе ТБО. Тогда комплекс содержит:

• 14,3% -0,22= 3,15% бумаги и картона;

• 14,3%,0,02 = 0,29% пластмассы высокого давления;

• 14,3% -0,04 = 0,58% полимерной плёнки.

Таким образом, применение модуля гидросепарации повышает индекс сбыта полезных компонентов ТБО:

• для бумаги и картона: (0,22 + 0,0315)-2400 = 603,6 руб./т (был 528);

• для пластмассы высокого давления: (0,02 + 0,0029)*25000 = 572 руб./т (был 500);

• для полимерной плёнки: (0,04 + 0,0058)-12000 = 550 руб./т (был 480).

При существующей сегодня планируемой производительности предприятий переработки ТБО 100 тыс. тонн в год получаем дополнительно:

• для бумаги и картона: 0,00315-2400-1003 = 7,56 млн. руб.;

• для пластмассы высокого давления: 0,0029 х 25000 х 1003 = 7,25 млн. руб.;

• для полимерной плёнки: 0,0058* 12000' 1003= 6,96 млн. руб.

Всего в год по указанным трём компонентам получаем дополнительно: 7,56 + 7,25 + 6,96 = 21,77 млн. руб. При этом не требуются затраты на транспортировку и захоронение тех же компонентов, составляющих 3,15% + 0,29% + 0,58% = 4,31% от общего объёма, перерабатываемого на предприятии ТБО.

Выводы

1. Обосновано применение гидросепарации в технологических линиях ТБО на основе специализированных модулей переработки компонентов отходов, не подлежащих разделению другими методами.

2. Предложено и обосновано использование водорастворимого полимера (линейного полиакриламида) в качестве добавки к рабочим жидкостям в технологическом процессе гидросепарации ТБО.

3. Определено, что суммарное технологическое время (СТВ) разделения ТБО и слива рабочей жидкости сокращается при повышении температуры рабочей жидкости (30... 40°С), в которую не был добавлен раствор полимера, но на которую в процессе разделения ТБО воздействовали ультразвуком.

4. Установлено, что СТВ разделения ТБО и слива рабочей жидкости (в диапазоне температур от 10 до 40°С), сокращается в 4...6 раз (например с 1645 до 319 с) при добавлении в рабочую жидкость раствора полимера. При этом дополнительное воздействие ультразвука на рабочую жидкость с раствором полимера существенного сокращения СТВ не производит.

5. Разработана и исследована система гидросепарации отходов, обеспечечивающая экологическую безопасность в условиях природных и техногенных воздействий.

6. Обоснована возможность создания технологических линий переработки ТБО на основе специализированных модулей. Разработана модульная система технологической линии непрерывной сортировки ТБО с модулем гидросепарации для сортировки мелких фракций ТБО, отсева, пищевых и растительных компонентов.

7. Введены и обоснованы индексы выгоды сбыта, экстренности переработки и актуальности инвестиций для основных компонентов ТБО, позволяющие проектировать технологические линии переработки ТБО с наименьшими потерями ценных компонентов.

8. Разработана методика оценки экономической целесообразности и экологической необходимости переработки различных компонентов ТБО, определяющая технологическую последовательность модулей сортировки, включая модуль гидросенарации. Доказана необходимость составления последовательности модулей технологической линии переработки ТБО на основе индексов выгоды сбыта и экстренности переработки основных компонентов ТБО (например: бумага и картон - 528, пластмасса высокой плотности - 500, полимерная плёнка - 480, камни, керамика и кости - 1).

9. Введены понятия попутного и встречного финансирования при управлении потоками производимых отходов, необходимые для принятия оптимальных технических решений по сбору и утилизации отходов.

10. Проведено сравнение процессов аэро- и гидросепарации компонентов ТБО, введён параметр Re/lT чувствительности и дано теоретическое обоснование применения технологии гидросенарации после аэросепарации для дополнительного извлечения полезных компонентов из ТБО.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

Издания, рекомендуемые ВАК РФ

1. Добренко Сэм, Максимов В.М., Пряхин В.Н., Рыбкин В.Н. Гидросепарация как составная часть процесса сепарации твёрдых бытовых отходов //Мелиорация и водное хозяйство: теоретический и научно-практический журнал. - М., 2013, №1 - С. 37...39. ISSN 0235-2524.

2. Добренко Сэм, Пряхин В., Храпов В., Субботин В., Чибухчян С. Оптимизация надежности автотранспортных средств //Грузовое и пассажирское автохозяйство. - М.'.ИД «Панорама», 2009, №5. - С. 43.

3. Добренко Сэм, Долгов A.A., Максимов В.М., Пряхин В.Н Оптимизация параметров технического обслуживания в системе сепарации твёрдых отходов/Шриродообустройство: научно-практический журнал. - М., 2013, №2 - С. 35...37 ISSN 1997-6011.

Материалы международных, межвузовских, научно-практических конференций и другие издания

4. Добренко Сэм, Карапетян М. А., Пряхин В. Н., Обеспечение экологической безопасности и предотвращение риска при обращении с отходами./Транспорт-Логистика-2008; Международная научно-практ. конференция: сб. материалов АРМЕН ПАК. - Ереван: Антарес, 2008.-С. 98...100.

5. Добренко Сэм, Карапетян М, А., Пряхин В. Н. Определение критериев экологичности технологических процессов промышленного и с.-х. производства /Транспорт-Логистика-2008; Международная научно-практ. конференция: сб. материалов АРМЕН ПАК.- Ереван: Антарес, 2008.- 112...115.

6. Добренко Сэм, Карапетян М. А., Пряхин В. Н. Анализ экологической обстановки в регионах РФ н пути обеспечения экологической безопасности населения./ Вестник Международной общественной Академии экологической безопасности и природопользования,- М.: МОАЭБП, 2008, Вып. 2(9). - С. 94...99.

7. Добренко Сэм, Пряхин В. Н., Толстых Р. С., Злобин А. Д. Экологическая безопасность и риск при обращении с промышленными и бытовыми отходами,/Сб, материалов 11-й межвузовской научно-метод. конференции (апрель 2009 г) «Актуальные проблемы качества образования и пути их решения в контексте европейских и мировых тенденций». - М.: МГУП, 2009. - с. 289...293.

8. Добренко Сэм, Пряхин В. П., Толстых Р. С. Методология и процедуры прогнозирования при исследовании объектов АПК /Вестник Международной общественной Академии

экологической безопасности и природопользования,- М.: МОАЭБП, 2008, Вып.5(12). - С. 182...187.

9. Добренко Сэм, Пряхин В. Н., Толстых Р. С., Злобин А. Д., Оптимизация режима обслуживания регулируемых объектов АПК /Вестник Международной общественной Академии экологической безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2009, Вып. 6(13).-С. 180...187.

10. A.C. №1463639 СССР. Термостат для скважинной геофизической аппаратуры [текст] / Добренко С. Я., Носепко Л.В., Гольдштейн Л.М., Вознесенский Б.С. и Чумак Н.В. Зарегистрировано 8 ноября 1988 г., опубликовано 07.03.89. Бюл. №9

11. A.C. №1550453 СССР. Скважинный геофизический прибор [текст] /Добренко С. Я., Носенко JT. В., Гольдштейн JI. М. и Вознесенский Б.С. Зарегистрировано 15 ноября 1989 г., опубликовано 15.03.90. Бюл. №10

12. Добренко Сэм, Пряхин В. Н., Соколов В. В., Современное состояние и мониторинг системы сбора опасных отходов и материалов //Вестник Международной общественной Академии экологической безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2009, Вып. 7(14).-С. 61...66.

13. Добренко Сэм, Пряхин В. Н., Храпов В. Б., Чибухчян С. С. Определение надежности резервирования систем АПК по критериям уравновешивания чувствительности.//Вестник Международной общественной Академии экологической безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2009, Вып. 7(14). - С.22...26.

14. Добренко Сэм, Карапетян М, А„ Пр?осин В. П., Выбрик Е> И, Анализ качества и синтеза экологических систем АПК со случайными параметрами.//Вестник Международной общественной Академии экологический безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2009, Вып. 7(14). - С. 94...98.

15. Добренко Сэм, Мочунова М.А., Пряхин В.Н., Методология прогнозирования и оптимизация природопользования //Материалы Международной научно-практ. конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России». Часть I. - М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2009. - С. 223.. .231.

16. Добренко Сэм, Бухаровская Н. А., Пряхин В. Н.,. Методика и критерии оценки устойчивости и эффективности объектов АПК.//Материалы Международной научно-практ. конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России». Часть И. -М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2009. - С. 187... 193.

17. Добренко Сэм, Соколов В. В., Пряхин В. Н. Мониторинг и состояние системы сбора опасных отходов и материалов.//Материалы Международной научно-практ. конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России». Часть И. - М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2009. - С. 343...347.

18. Добренко С., Разгоняев Д. С., Пряхин В. Н., Суслов А. Н., Рыков С. В. Практическая возможность утилизации стеклотары и стеклянного боя, экономика и практика.//Сб. статей XIV Международной научно-практ. конференции «Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилизации, контроля» (май 2010). - Пенза: ПДЗ. - С. 64...66.

19. Добренко Сэм, Пряхин В.Н., Карапетян М.А., Мочунова H.A. Возможные риски в технических системах на объектах агропромышленного комплекса//Междупародный научный журнал. - М., 2010, №3. - С. 36...40.

20. Добренко Сэм и др. Водные ресурсы и их использование //Вестник Международной общественной Академии экологический безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2009, Вып. 9(16)-С. 94...98.

21. Добренко Сэм и др. Энергосбережение и использование возобновляемых источников энергии новые мощности - одно из важнейших направлений экологизации хозяйственной деятелыюсти//Вестник Международной общественной Академии экологический безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2009, Вып. 9(16) - С. 79...91.

22. Добренко Сэм, Петрашкевич В.В., Петрашкевич А.В., Пряхин В.Н. Устройство для гидросепарации бытовых отходов. Патент РФ на полезную модель №115244 от 27 апреля 2012 года. Опубликовано 27.04.2012 г., Бюл. №12

23. Добренко Сэм, Пряхин В.Н., Солдатов В.В., Карапетян М.А. Исследование основных логических элементов АСУ объектами утилизации // Вестник Международной общественной Академии экологический безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2012, Вып. 13 (20).-С. 46...51.

24. Добренко Сэм. Возможность использования эффекта Томса для гидросепарации ТБО //Вестник Международной общественной Академии экологический безопасности и природопользования.-М.: МОАЭБП, 2012, Вып. 13 (20).-С. 18...26.

25. Добренко Сэм. Исследование процесса гидросепарации твердых бытовых отходов с использованием эффекта псевдопластичности. // Вестник Международной общественной Академии экологический безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2012, Вып. 13 (20).-С. 12...17.

26. Сэм Добренко, В.Н. Пряхин, А.А. Долгов. Определение продолжительности суммарного технологического времени процесса гидросепарации в различных условиях испытаний.//Вестник Международной общественной Академии экологический безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2012, Вып. 13 (20). - С. 5...11.

27. Добренко Сэм, Долгов А.А., Максимов В.Н., Пряхин В.Н. Режимы технического обслуживания в системе сепарации бытовых отходов //Материалы Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации водного хозяйства в инновационном развитии АПК», ч. 7 «Технологии и средства механизации».- М.: МГУП, 2012. - С. 32...37.

28. Добренко Сэм, Щипанцов A.M., Максимов В.М., Карапетян М.А. , Пряхин В.Н. Оптимизация режима работы рабочих органов в системах автоматического управления иа объектах АПК //Вестник Международной общественной Академии экологический безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2012, Вып. 13 (20). - С. 63...68.

29. Добренко Сэм, Максимов В.М., Пряхин В.Н. Оптимизация режима устранения отказов системы сепариции ТБО.//Вестник Международной общественной Академии экологический безопасности и природопользования. - М.: МОАЭБП, 2012, Вып. 13 (20). - С.35...40.

30. Добренко Сэм, Максимов В. М., Пряхин В.Н., Лазаренко М.Л. Сравнительный анализ аэро- и гидросепарации твёрдых бытовых отходов//Материалы Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации водного хозяйства в инновационном развитии АПК», ч. 7 «Технологии и средства механизации».- М.: МГУП, 2012. - С. 22...32.

31. Добренко Сэм, Соколов В.В., Максимов В.Н., Пряхин В.Н. Исследование автоматизированных систем полива с помощью систем массового обслуживания //Материалы Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации водного хозяйства в инновационном развитии АПК», ч. 2 «Мелиорация и рекультивация земель». - М.: МГУП, 2012.-С. 236...238.

32. Dobrenko Sam and Mabubul Joarder, Business aspects of Municipal Solid Waste and Technology of Hydroseparation in the USA, Journal of Business & Globalization, Vol. 2, No. 2, April 2011, pp. 25...34, ISSN 2158-1193 (Print), ISSN 2158-1207(online).

33. Dobrenko Sam, L. Baburin, and Y.Tsimberg «Biogas: Experience, Theory, Perspectives», Journal of Business & Globalization, Vol. 2, No. 2, April 2011, pp. 14...19, ISSN 2158-1193 (Print), ISSN 2158-1207(online).

34. Sam Dobrenko and Frank Cuzzi, Doing Business In New Economics of Environmental Catastrophes (Or Modern Using of Trade Winds), Journal of Business & Globalization, Vol. 2, No. 1, October 2010, pp. 24...34, ISSN 2158-1193 (Print), ISSN 2158-1207(online).

35. Sam Dobrenko and Frank Cuzzi, Global Investment and Catastrophic Risk, Journal of Business & Globalization, Vol. 1, No. 1, January 2011, pp. 21...37, ISSN 2158-1193 (Print), ISSN 2158-1207(online).

Отпечатано в лаборатории множительной техники МГУП 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19 Подписано в печать 08.04.2013 г. Формат 60x84/16 Тираж 100 экз., Усл. Пл. 1,5

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Добренко, Сэм, Москва

Московский государственный университет природообустройства

(МГУП)

На правах рукописи

04201357138

ДОБРЕНКО СЭМ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ УТИЛИЗАЦИИ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ С УЧЕТОМ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Специальность: 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель.

Научный руководитель: д.т.н., профессор Пряхин В.Н.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

\

Введение......................................................................................................................5

Глава 1. Общая характеристика работы..............................................................9

1.1. Современное состояние проблемы утилизации ............................................9

1.2. Аналитический обзор отечественных и зарубежных источников.............11

1.3. Классификация источников загрязнения ОПС............................................15

1.3.1. Источники загрязнения воздушного бассейна..........................................15

1.3.2. Источники загрязнения водного бассейна.................................................17

1.3.3. Источники загрязнения литосферы............................................................19

1.4. Накопление отходов........................................................................................21

1.5. Свойства отходов............................................................................................26

1.6. Классификация отходов и видов сепарации................................................29

1.7. Твёрдые бытовые отходы и безопасность техносферы..............................3 1

1.8. Выводы.............................................................................................................38

1.9. Постановка задачи исследований .................................................................39

Глава 2. Обращение с твёрдыми бытовыми отходами...................................40

2.1. Экологическая безопасность и риск при обращении с отходами .............40

2.2. Современные методы контроля загрязняющих веществ в окружающей природной среде (ОПС) ........................................................................................42

2.3. Переработка и использование отходов ........................................................45

2.4. Исследование основных логических элементов АСУ объектами утилизации .............................................................................................................47

2.5. Разработка системы и методов исследований технологического процесса гидросепарации.......................................................................................................51

2.6. Выводы.............................................................................................................61

Глава 3. Теоретические и экспериментальные\исследования технологического процесса гидросеиарации.....................................................63

3.1. Классификация и этапы технологического процесса гидросепарации твёрдых бытовых отходов (ТБО)..........................................................................63

3.2. Разработка методики экспериментальных исследований процесса гидросепарации ТБО..............................................................................................64

3.3. Сравнительный анализ аэро- и гидросепарации ТБО.................................72

3.4. Концепция и структура экологических требований...................................81

3.5. Методы определения объёмов накопления ТБО ........................................82

3.6. Концепция безотходного производства.......................................................87

3.6.1. Принципы переработки и обезвреживания отходов ...............................90

3.6.2. Опредение продолжительности суммарного технологического времени процесса гидросепарации в различных условиях испытаний ..........................95

3.7. Разработка модуля гидросепарации ТБО...................................................103

3.8. Выводы...........................................................................................................107

Глава 4. Разработка системы мониторинга состояния среды на объектах с размещёнными отходами.....................................................................................109

4.1. Мониторинг загрязнения ОПС и состояния природных ресурсов .........109

4.2. Мониторинг состояния среды на объектах с отходами............................112

4.3. Критерии экологичное™ технологического процесса утилизации ........114

4.4. Возможные пути устранения отказов в системе сепарации ТБО............117

4.5. Методика определения надёжности резервированных систем АПК по критериям уравновешивания чувствительности...............................................121

4.6. Выводы...........................................................................................................123

Глава 5. Организация и технико-экономические показатели технологического процесса обращения с отходами.......................................126

5.1. Техногенные факторы воздействия на здоровье человека ......................126

5.2. Состояние системы сбора ТБО в России и за рубежом ...........................128

5.3. Особенности поддержания безопасности особо ответственных работ на народнохозяйственных объектах........................................................................129

5.4. Гидросепарация, как составная часть процесса сепарации на объектах АПК.......................................................................................................131

5.5. Методика определения экономического ущерба от загрязнения ОПС .. 133

5.6. Выводы...........................................................................................................140

Основные выводы.................................................................................................141

Литература..............................................................................................................143

Приложения............................................................................................................165

Приложение 1. Авторские свидетельства и патенты........................................166

Приложение 2. Классы опасности отходов.......................................................176

Приложение 3. Оптимизация режима работы рабочих органов в системах

автоматического управления на объектах АПК................................................184

Приложение 4. Выбор метода утилизации........................................................191

Приложение 5. Проблемы экологического мониторинга объектов АПК......200

Приложение 6. Анализ графического материала результатов диссертационного эксперимента........................................................................203

Введение

Актуальность исследований:

По данным Росприроднадзора ежегодно в Российской Федерации (РФ) образуется более семи миллиардов тонн отходов, включая промышленные, бытовые и сельскохозяйственные отходы. Из них 30 миллионов тонн (или 150 млн. м") - твердые бытовые отходы (ТБО). Более 85% ТБО складируется на полигонах и свалках различного типа, 5% проходят вторичную переработку и около 10% теряются при транспортировке. Прирост объёмов ТБО в РФ стал превышать объём их утилизации. В то же время увеличивается стоимость захоронения ТБО на полигонах. С другой стороны, постоянный рост стоимости сдачи ТБО на захоронение и растущий дефицит территорий захоронения приводит к увеличению количества несанкционированных свалок, которых в 34 раза больше, чем зарегистрированных полигонов захоронения ТБО.

Поскольку быстрый рост объёмов ТБО и дефицит территорий их захоронения приводит к постоянному увеличению концентрации опасных компонентов ТБО в окружающей природной среде (ОГ1С), оценку опасности (критичности) полигонов захоронения следует проводить с учётом постоянной аккумуляции загрязнителей в атмосфере, водном бассейне и литосфере.

Сегодня ОПС требует применения инженерной защиты от загрязнения и других видов антропогенных воздействий, основными направлениями которой являются: исследование и внедрение ресурсосберегающих, безотходных и малоотходных технологий, биотехнологии, утилизация и максимальная детоксикация отходов и экологизация производств.

Исследованиями в этой области занимались многие отечественные и зарубежные ученые: А. И. Голованов, Д. Г1. Гостищев, В. И. Сметанин,

B. Н. Пряхин, А. Е. Касьянов, , В. Н. Рыбкин, Л. Я. Шубов, Л. Я. Ставровский,

C. С. Юфит, В. Н. Иванов, Ф. Сиссот, И. Кюн, Д. Вульф и другие, которые исследовали процессы утилизации отходов и тесно связанные с ними технологические процессы мелиорации и охраны земель.

С целыо минимизации объёмов вредных отходов и уменьшения их воздействия на ОПС применяют: бессточные и водооборотные технологические системы и циклы, базирующиеся на очистке сточных вод (СТВ); выпуск новых видов продукции, в которую заложена возможность её повторного извлечения из ТБО и использования; переход к новым системам переработки вторсырья, исключение или сокращение технологических стадий, образующих отходы, в том числе и твёрдые промышленные отходы (ТПО).

В РФ многолетнее потребительское отношение к природе и восполнение дефицита энергии и материалов наращиванием их производства, привели к тому, что около шестой части валового общественного продукта в стране сегодня используется неэффективно.

Таким образом становятся актуальными вопросы утилизации СТВ, ТПО и ТБО. При этом представляется важным исследование, разработка и обоснование параметров новых малоотходных и ресурсосберегающих систем разделения и утилизации бытовых отходов.

Гидросепарация компонентов ТБО может быть одной из важнейших технологий в разделении и утилизации ТБО.

Цель исследований - обоснование применения гидросепарации твердых бытовых отходов, как одного из видов промышленного разделения отходов.

Для достижения цели исследований были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методики оценки экономической целесообразности и экологической необходимости переработки различных компонентов ТБО, определяющей технологическую последовательность модулей сортировки.

2. Исследование и разработка методики оценки экологичности технологических процессов утилизации.

3. Исследование свойств бытовых отходов и установление степени их влияния на окружающую природную среду.

4. Разработка и исследование системы гидросепарации обеспечивающей экологическую безопасность при обращении с отходами в условиях природных и техногенных воздействий.

5. Определение степени риска при загрязнении окружающей среды отходами с учетом современных методов контроля загрязняющих веществ.

6. Обоснование возможности создания технологических линий переработки ТБО на основе специализированных модулей.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- определено место гидросепарации в технологических линиях переработки ТБО на основе специализированных модулей переработки компонентов ТБО, не подлежащих разделению другими методами;

- доказана необходимость создания модульных технологических линий переработки ТБО на основании основных параметров объектов утилизации отходов;

разработана методика оценки экономической целесообразности и экологической необходимости переработки различных компонентов ТБО, определяющая технологичскую последовательность модульной сортировки (включая модуль гидросепарации ТБО);

доказана целесообразность использования эффекта Томса для интенсификации процесса гидросепарации ТБО;

- разработана система гидросепарации ТБО, обеспечивающая экологическую безопасность при обращении с отходами в условиях природных и техногенных воздействий.

Достоверность_результатов подтверждается хорошей

воспроизводимостью выполненных исследований, положительным опытом их внедрения в производство, а также совпадением результатов теории и эксперимента.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложен новый подход и инструментарий, необходимые для принятия рациональных решений

по управлению технологическим процессом сортировки ТБО. Разработка защищена двумя авторскими свидетельствами РФ на изобретение и одним патентом на полезную модель, (см приложение 1). Предложена методика оценки экономической целесообразности и экологической необходимости переработки различных компонентов ТБО, определяющая технологическую последовательность модулей сортировки.

Основные положения, выносимые на защиту:

• обоснование модели модульных технологических линий переработки твердых бытовых отходов с целью минимизации массы ТБО не подлежащей обработке;

• использование водорастворимых полимеров для интенсификации процесса гидросепарации ТБО;

• обоснование возможности создания модульной системы технологической линии непрерывной сортировки ТБО с модулем гидросепарации для сортировки мелких фракций отходов;

• разработка системы оценки экономической целесообразности и экологической необходимости переработки различных компонентов ТБО, определяющей технологическую последовательность модулей сортировки;

• разработка системы гидросепарации обеспечивающей экологическую безопасность при обращении с ТБО в условиях природных и техногенных воздействий.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международных научно-практических конференциях по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности, г. Москва, 2008-2012 гг.; Международной н-п. конференции АР МЕН ПАК, г. Ереван, 2008 г.; Международной н.-п. конференции по инвестициям и развитию республики Бангладеш, Нью-Йорк, 2010 г.

ГЛАВА 1. Общая характеристика работы

1.1. Современное состояние проблемы утилизации

Как показала практика, основной причиной загрязнения биосферы является ресурсоёмкие и загрязняющие технологии переработки и использования сырья. Именно эти традиционные технологии приводят к огромному накоплению отходов и к необходимости очистки сточных вод и утилизации твердых отходов [169].

Отходы производства и потребления являются вторичными материальными ресурсами (BMP), которые в настоящее время могут использоваться в народном хозяйстве. Следует особо выделить проблемы, связанные с образованием и обезвреживанием твёрдых бытовых отходов (ТБО) и осадков сточных вод, которые при неправильном и несвоевременном удалении и обезвреживании серьезно загрязняют окружающую среду [24].

Для защиты природной среды, а также для утилизации содержащихся в ТБО ценных веществ и компонентов в мировой и российской практике ведутся разработка и широкое внедрение различных технологий переработки ТБО. Выбор метода обезвреживания и переработки ТБО определяется необходимостью, в первую очередь, оптимального решения проблем охраны природной среды и здоровья населения с учетом экономической эффективности, рационального использования земельных ресурсов. Наибольшее практическое распространение в РФ и за рубежом получили складирование на полигоне, сжигание и аэробное биотермическое компостирование [13].

К основным направлениям инженерной защиты окружающей природной среды (ОПС) от загрязнения и других видов антропогенных воздействий относятся: исследование и внедрение ресурсосберегающих, безотходных и малоотходных технологий; биотехнологии; утилизация и максимальная детоксикация отходов; экологизация производств.

При этом экологизированными следует считать технологические процессы, по-возможности с полностью контролируемыми взаимодействиями с ОПС и позволяющие сводить к минимуму их отрицательные последствия.

Загрязняющими биосферу технологиями считаются парактически все существующие сегодня технологии переработки и использования сырья, приводящие к огромному накоплению различных отходов и, как следствие, к обязательной очистке сточных вод (СТВ) и необходимости утилизации твердых промышленных (ТПО) и бытовых отходов (ТБО).

Ежегодно в Российской Федерации образуется огромное количество СТВ, ТПО и ТБО. С целью минимизации объёмов вредных отходов и уменьшения их воздействия на ОПС применяют: разработку бессточных и водооборотных технологических систем и циклов, базирующихся на очистке СТВ; выпуск новых видов продукции в которыую заложена возможность её повторного использования; переход к системам переработки вторсырья; исключение или сокращение технологических стадии образующих отходы.

Таким образом становится необходимой разработка и исследование новых высокотехнологичных систем и методик рационального использования сырьевых ресурсов и утилизации СТВ, ТПО и ТБО.

В настоящее время в деле охраны ОПС всё чаще применяются биотехнологии. Биотехнологии наиболее эффективны при утилизация твердой фазы СТВ и ТБО с помощью анаэробного сбраживания; биологической очистки природных и СТВ от органических и неорганических соединений; создания биологически активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха; восстановления загрязненных почв, получения и использования микроорганизмов, способных нейтрализовать тяжелые и радиоактивные металлы в осадках сточных вод; компостирования (биологического окисления) отходов растительности.

Любые важные народнохозяйственные задачи в области утилизации СТВ, ТПО и ТБО должны решаться посредством разработки и исследования новых методик и автоматизированных технических средств по оптимизации режимов работы этих сложных систем в различных условиях испытаний.

Сложившаяся в настоящее время в России ситуация с СТВ, ТПО и ТБО представляет реальную угрозу здоровью населения страны, уже находящейся в экологическом кризисе.

1.2. Аналитический обзор отечественных и зарубежных источников

Современное экологическое состояние территории РФ можно определить как критическое, а в некоторых регионах оно приобрело характер экологического бедствия.

Продолжается дальнейшее загрязнение окружающей природной среды (ОПС). Несмотря на спад производства и остановку большого числа промышленных предприятий, загрязнение ОПС не уменьшилось, т. к. в эконо