Анализ методов сортировки твердых бытовых отходов

УДК628.4

И. В. Ламзина, В.Ф. Желтобрюхов, И. Г. Шайхиев

АНАЛИЗ МЕТОДОВ СОРТИРОВКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Ключевые слова: твердые бытовые отходы, сортировка, альтернативное топливо.

Проанализированы основные виды и подходы к сортировке твердых бытовых отходов, дана оценка морфологическому составу отходов с точки зрения использования в качестве альтернативного топлива. Произведено парное сравнение ручного и автоматического метода сортировки по технологическим, экологическим и экономическим критериям. Сделаны выводы об эффективности и перспективах применения методов сортировки твердых бытовых отходов в России.

Keywords: municipal solid waste, sorting, alternative fuel.

The main types and approaches of the sorting are analysed, the estimation of the morphological composition of the waste from the point of view of use as an alternative fuel. Comparison of manual and automatic sorting methods on technological, environmental and economic criteria are made.Conclusions about the effectiveness and of application of methods of sorting solid waste in Russia.

При обработке различных видов отходов для их последующего использования в качестве альтернативного топлива необходимо учитывать различные технические параметры инсинерации, характерные для различных предприятий, на которых будут использоваться вторичные энергетические ресурсы (например, на цементном или известковом заводе, мусоросжигательной установке и т.д.), морфологические и теплофизические характеристики компонентов твердых бытовых отходов, а так же требования потребителей.

Обработка отходов основывается на изменении физико-химических характеристик отходов, подготовляемых для использования в качестве топлива. Например, измельчение отходов (с помощью дробилок, шредеров) может проводиться до получения требуемого размера частиц. Другим примером является отделение посторонних примесей путем механической обработки и измельчения. Выход топлива может варьироваться в зависимости от влажности и зольности [1].

В виду того, что морфологический состав ТБО напрямую зависит от местных условий, то для использования твердых бытовых отходов в качестве сырья с целью получения альтернативного топлива в цементной промышленности необходимо провести их классификацию, измельчение и сушку [2].

Несортированные бытовые отходы, как правило, не пригодны для сжигания, пока не будут обработаны - отсеяны, отсортированы и смешаны, чтобы увеличить их теплотворность.

Сортировка твердых бытовых отходов на отдельные фракции - немаловажный этап в комплексе мер, направленных на минимизацию образования ТБО.

Отсутствие предварительной сортировки отходов приводит к тому, что и размещение отходов на полигонах и мусоросжигание не отвечают современным санитарным требованиям и являются источником загрязнения окружающей среды [3]. Сортировка бытовых отходов позволяет решить сразу две важнейшие проблемы. Во-первых,

выделить высокотоксичные материалы (свинцовые аккумуляторы, ртутьсодержащие лампы, химические источники тока, химикаты и др.). Они накапливаются в герметичных контейнерах и по мере накопления направляются

специализированным организациям на

обезвреживание или использование. Во-вторых, извлекаются материалы (бумага, пластмасса, стекло, черные и цветные металлы и т. п.), пригодные для повторного использования. Продажа этих материалов для вторичной переработки позволит частично или полностью покрыть затраты на предварительную сортировку отходов [4].

Существуют "позитивный" и "негативный" подходы к сортировке отходов:

а) "позитивный" подход предполагает извлечение из потока отходов ценных, полезных материалов с высокой теплотворной способностью и низким содержанием вредных веществ. Однако этот подход приводит к росту объема отходов, подлежащих захоронению на полигонах;

б) "негативный" подход - отделение только тех фракций, наличие которых не является желательным в конечной продукции. При использовании подобного подхода объем отходов, подлежащих захоронению на полигонах, может быть снижен, поскольку другие виды отходов, которые могут содержать повышенное количество вредных веществ, попадут в конечную продукцию [1].

В приведенной ниже таблице представлены средние значения физических параметров компонентов ТБО.

Таким образом, 60-80% морфологического состава ТБО представляют собой потенциальное сырье для использования в промышленности (3545%) или компостирования (25-35%). Однако сортировка предварительно смешанных и перевезенных в едином мусоровозе ТБО, позволяет извлечь из их состава не более 11-15% вторичных ресурсов. При этом оказывается практически невозможным использовать биоразлагаемые (органические) отходы [6].

Таблица 1 - Усредненные характеристики отдельных компонентов ТБО [5]

Отсюда вытекает второй подход в классификации отходов - по виду сортировки -ручная, автоматизированная и полностью автоматическая. Методы сортировки отходов и выделения из них вторичных ресурсов подразделяются по способу предварительной подготовке отходов (с измельчением и без него) и по характеру разделения (механическая, аэросепарация, гидравлическая и магнитная сепарация). Наибольшее распространение получила магнитная сепарация (выделение металлов) и аэросепарация (выделение легких фракций ТБО) [7].

При ручной сортировке распознавание материалов производится персоналом визуально, а отбор осуществляется вручную. Как правило, ручной сортировке подвергается материал класса грохочения +200 мм, иногда +300 мм. Производительность одной линии сортировки, в зависимости от состава обогащаемого сырья, колеблется от 3 т/час [8].Эффективность ручной сортировки во многом зависит от организации работы на стадии сбора и транспортировки отходов. При автоматизированной сортировке отдельные вспомогательные операции (подача материала на сортировочный конвейер, предварительный рассев по крупности, измельчение) механизированы, но распознавание осуществляется человеком.

Недостатками ручного и

автоматизированного метода сортировки являются более высокие требования к технике безопасности и неполное извлечение различных фракций ТБО [9]. Следует заметить, что человек не в силах выделить из потока объект с геометрическими размерами

менее 50 мм, что обеспечивает потерю большого процента по массе конечного продукта, как в случае получения топлива, так и при выделении вторичного сырья [10]. Методом ручной сортировки можно выделить около 20% каждого из компонентов входящего потока. Получение альтернативного топлива из высококалорийной фракции отходов (RDF) с помощью данной технологии возможно только теоретически. Кроме того, при большом объеме ТБО потребуются значительные людские ресурсы, что повлечет за собой снижение экономической эффективности метода, что неприемлемо.

Автоматическая сортировка - современный этап в области обращения с ТБО. На линиях полностью автоматической сортировки материалов весь процесс сортировки отходов (идентификация отбираемых материалов и их выделение из общего потока) происходит без участия персонала. Как правило, в основе технологий автоматической сортировки лежит использование сенсоров оптического определения материалов путем облучения потока отходов излучением с определенной длиной волны и последующего спектрального анализа отраженного от поверхности материала излучения[11]. Методы оптической сортировки в зависимости от диапазонов используемых электромагнитных излучений подразделяются на рентгенофлуресцентный анализ и рентгеновскую трансмиссию с длиной волны 10 - 10 м, лазерно-искровую эмиссионную спектроскопию (длина волны

10-9 - 4-10 м),

спектроскопию в видимой области (длина волны 4-10-7- 8-10-7м), ближнюю инфракрасную спектроскопию (БИК спектроскопия), длина волны которой составляет 8-10-7 - 3-10-5м, терагерцевую спектроскопию (длина волны

3-10-5 - 3-10 м) [12].

В европейских странах получил распространение оптико-пневматический метод. Оптическая сортировка определяет материал на основе спектральных свойств света, отраженного от него. Система идентифицирует и разделяет упаковку по таким оптическим критериям, как форма, цвет и свойства материала. Обычно используется для выделения различных видов пластмасс, стекла, металла и представляет собой весьма дорогостоящий метод сортировки. Оборудование способно выделить до 93 % каждого компонента в потоке ТБО и эффективно как при «положительной», так и при «отрицательной» сортировке [10].

Использование оборудования для автоматической сортировки материалов с системой оптического распознавания позволяет увеличить не только скорость сортировки материалов по сравнению с ручным трудом, но так же и качество самого отбора. Автоматическая сортировочная установка стоит до 40 евро за тонну, но окупается почти на 100 % за счёт высокой выработки сырья и прибыли от неё.

Лидером на мировом рынке по производству сортировочных установок на основе сенсорной технологии является компания TOMRA

Компонент ,ь ,ь Удельная

н о н О т низшая теплота

ц ^ s 1 сгорания

Ч m ё £ ч С кДж/кг ккал/кг

Пищевые 72 100 3430 820

отходы

Бумага 25 140 9490 2270

Дерево 520 170180 14460 3460

Полиэтиленовая 8 75 23370 5830

пленка

ПЭТФ-бутылки 8 27

ПВХ-бутылки 8 54

Черные 1,9 78 - -

металлы

Цветные 1,9 18 - -

металлы

Стекло 0,4 250 - -

Текстиль 20 85 15720 3760

Кожа 5 65 25790 6170

Резина 0,75 160

Инертные 3 870 - -

материалы

Отсев - 20 мм 20 - 4600 1100

Sorting Solutions, основанная в 1972 году в Норвегии. С 2004 года компания TITECH является частью TOMRA группы. Технологии компании применяются для переработки отходов, в горнодобывающей и пищевой промышленности под торговыми марками TITECH, Commodas Ultrasort и QVision.

В России использование данного способа, несмотря на высокий уровень извлечения фракций, является нерациональным по многим причинам. Во-первых, содержание в исходных ТБО пищевых и растительных отходов в среднем составляет 35% (а не 7%, как в США), которые загрязняют сырье и делают его малопригодным для вторичного использования и влечет снижение закупочной стоимости выделенных компонентов с учетом их качества. Направлять на сжигание этот класс нецелесообразно так как он обладает пониженной теплотворной способностью и существует повышенный выход недожога. Поэтому представляется возможным отправлять

биологическую фракцию ТБО на компостирование. Во-вторых, в России отсутствует технология сортировки входящего потока смешанных ТБО по сравнению с Европой, в которой преобладает раздельный сбор отходов. В-третьих, эксплуатация

дорогостоящего оборудования при постоянно изменяющемся составе ТБО является

нерентабельной, а порой и бесполезной (в случае отсутствия в базе данных спектральных характеристик новых материалов).

В таблице 2 приведена сравнительная характеристика ручного и автоматического метода сортировки.

С целью обнаружения и идентификации каждого компонента в потоке ТБО и вида вторичного сырья используют разные методы и виды сортировок. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при анализе материалов и выбрать наиболее оптимальный для конкретного состава отходов данной климатической зоны. Учитывая гетерогенность ТБО, рекомендуется использовать комбинацию методов, что позволит достигнуть качественного отбора материалов.

При решении в российских условиях задачи преимущественно энергетического использования ТБО, технологическая схема сортировки должна учитывать особенности морфологического состава ТБО, имеющего климатические и сезонные различия.

Таблица 2 - Преимущества и недостатки ручного и автоматического метода сортировки

Вид сортировки Преимущества Недостатки

Ручная - простота оборудования; - чистота выделенных компонентов - высокие требования к технике безопасности; - неполное извлечение различных фракций ТБО; - сложность проведения идентификации материала на основе только лишь визуального осмотра; - низкая скорость отбора, что делает практически неосуществимым процесс переработки больших объемов ТБО.

Автоматическая - чистота выделенных компонентов; - высокая скорость сортировки (до 30 тонн в час, в зависимости от области применения и типа материала); - возможность сортировки по многим параметрам (пр. цвет, форма, плотность и т.д.). - дороговизна оборудования; - необходимость предварительной сортировки; - появление новых материалов, отсутствующих в базе данных оптического сканера.

Литература

1. ГОСТ Р 55097-2012 Ресурсосбережение. Наилучшие доступные технологии. Обработка отходов в целях получения вторичных энергетических ресурсов, 2013

2. Ламзина, И. В., Голдов А.В., Князев Я.И., Полозова И.А., Желтобрюхов В.Ф., Инженерный вестник Дона, 2,

3. Т.П. Гафиятова, О.И. Лебедева, Вестник Казанского технологического университета, 2, 18, 437-440

4. С. Г. Шеина, Л. Л. Бабенко, С. С. Неделько, Н. Б. Кобалия, Науковедение, 4, 13, 1-16

5. Характеристика отходов (ТБО) как объекта переработки [Электронный ресурс]. - [2014]. - Режим доступа: http://ztbo.ru/o-tbo/lit/texnologii-otxodov/xarakteristika-otxodov-tbo-kak-obekta-pererabotki

6. Пармухина, Е. Л., Экологический вестник России, 10, 26-27

7. С.Г. Мухачев, В.Н. Мельников, А.Р. Садыков, Б.Н. Иванов, Л.И. Корнилова Вестник Казанского технологического университета, 2, 1, 423-429,

8. Ручная сортировка мусора и отходов (ТБО) [Электронный ресурс]. - [2014]. - Режим доступа : http://ztbo.ru/o-tbo/lit/texnologii-otxodov/ruchnaya-sortirovka-musora-i-otxodov-tbo

9. Петров, В. Г. Линии сортировки мусора. Перспективы применения, Института прикладной механики УрО РАН, Ижевск, 2005, 112 с.

10. Вюнш, К., Я. И. Вайсман, В. Н. Коротаев, Д. Л. Борисов Вестник ПНИПУ. Урбанистика, 5, 28-36,

11. Слюсарь, Н. Н, Д. Л. Борисов, В. Н. Григорьев, Вестник ПНИПУ. Урбанистика, 12, 75-82

12. Галкина, О. А., Г. В. Ильиных, К. Вюнш, Вестник ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика, 13, 127-139

© И. В. Ламзина - аспирант кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, Волгоградский государственный технический университет, lamzina_irina@inbox.ru, В. Ф. Желтобрюхов - профессор той же кафедры, И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии КНИТУ.

© I. V. Lamzina - postgraduate student, Department of industrial ecology and life safety, Volgograd state technical University, lamzina_irina@inbox.ru, V. F. Zheltobryukhov - Professor of Department of industrial ecology and life safety of the same University, I. G. Shaihiev - doctor of technical Sciences, head of a university Department of environmental engineering KNRTU.