Способ утилизации бытовых и промышленных отходов
METHOD OF RECYCLING DOMESTIC AND INDUSTRIAL WASTES

Предлагается (по п. 1) способ утилизации бытовых и промышленных отходов в регионе путем вывоза на полигон (свалку) и складирования их в сплошном массиве, заключающийся в том, что отходы предварительно подвергаются измельчению и стабилизации, для чего в определенной пропорции смешиваются с нейтральным наполнителем, отличающийся тем, что степень измельчения мусора, состав и количество наполнителя подбираются таким образом, чтобы полученная смесь имела ограниченную газо- и водопроницаемость, а толщина засыпки массива выбирается такой, что на глубине равной или меньшей 1/3 толщины засыпки давление скапливающихся в результате разложения мусора газов превышает давление водяного столба до поверхности засыпки. Посмотрим, чем отличается традиционный, рыхлый мусорный отвал и массив измельченного и смешанного с грунтом мусора. Прежде всего, удельным весом и степенью проницаемости для воды и газов. В нашем случае, мелкий, смешанный с землей мусор с трудом пропускает газы, уже на глубине одного метра создаются анаэробные условия, парциальное давление кислорода снижается, в разлагающейся органике живут другие микроорганизмы, выделяется меньше скверно пахнущих газообразных веществ, процессы идут при более низкой температуре, более медленно и равномерно. С увеличением глубины давление свалочных газов увеличивается и на отметке 4-5 метров начинает превышать давление водяного столба к поверхности. Это значит, что просачивающаяся сверху после дождя вода не пойдет ниже, а в основном будет стекать по уклону рельефа. Конечно, капиллярные механизмы будут смачивать весь массив заложенных отходов, но сплошного протока дождевой воды и вымывания вредных примесей из мусора в грунтовые воды, как это происходит в обычной свалке, не будет. Газ выделяется непрерывно и также непрерывно просачивается вверх, возникает и поддерживается некое динамическое равновесие. Таким образом появляется феномен, когда от проточной воды, - осадков сверху и грунтовых вод по периметру, оказывается защищенным почти весь объем захороненных отходов. Пока идет газовыделение, а процесс разложения пластика будет продолжаться десятилетиями, органические токсины и растворимые минералы останутся на месте захоронения. Чем глубже закладывается массив и чем толще слой отходов, тем лучше для экологии. Поясним на примере. Допустим, измельченный мусор смешивается с грунтом в объемном соотношении 3/1 (плотность мусора приведена к спрессованному внутри насыпи состоянию), тогда плотность смеси будет ориентировочно 1,3 г/см куб. Если формировать насыпь толщиной в 50 метров, то она за счет вынутого грунта окажется заглубленной на 20 метров. Какие условия сложатся на дне котлована. Давление от выше залегающей породы составит 6,5 атмосфер, до этой же величины может подниматься давление свалочного газа, состоящего в основном из метана. При этом давление грунтовых вод по периферии свалки равно давлению водяного столба в 20 метров, т.е. двум атмосферам. Газовая подушка надежно изолирует внутренние захороненные массы мусора, вода туда не попадет.
Следующим отличием (по п. 2) предлагаемого способа является то, что, в результате ограниченной проницаемости смеси мусора и наполнителя в толще сформированного массива образуется динамическая граница раздела, которую не могут преодолеть дождевые и грунтовые воды, и где создаются благоприятные анаэробные условия для разложения мусора. При соблюдении технологического режима в каждом объеме, предназначенной для захоронения смеси, окажется достаточно мелких частиц, чтобы создать ощутимое сопротивление медленному, но непрерывному потоку свалочного газа, прокладывающего себе путь из глубины свалки к поверхности и краям. Величина этого сопротивления зависит, прежде всего, от степени увлажнения смеси: чем больше влаги впитает грунт, тем сложнее дождевой воде проникнуть вглубь против движущегося навстречу газа. Давление газа на любой глубине стремиться приблизиться к весу столба грунта на этой глубине, а давление воды равно текущему весу водяного столба. А поскольку удельный вес смеси больше удельного веса воды, даже в случае сильного дождя, когда весь вышележащий слой пропитается влагой, возникнет динамическая граница раздела, за которую осадки не проникнут. Для убедительности проделаем такой мысленный эксперимент. В середине длинного стеклянного стакана закреплена сетка, на нее положена фильтровальная бумага, сверху насыпан слой мелкого грунта и налита вода. Вода просачивается и капает на дно стакана. Если теперь в нижнюю часть стакана через отвод подать воздух под небольшим давлением, фильтрация жидкости прекратится. Даже если в результате капиллярного просачивания какое-то количество воды попадет на дно котлована, она будет выдавлена в грунтовые воды, находящиеся под гораздо более низким давлением. Тем более, навстречу просачивающимся свалочным газам в толщу мусора не может проникнуть кислород атмосферы, создаются идеальные анаэробные условия для разложения мусора.
Следующим отличием (по п. 3) предлагаемого способа является то, что в качестве нейтрального наполнителя используется местный грунт, а также предварительно измельченные строительные и другие промышленные отходы региона. К наполнителю предъявляются следующие требования: он должен иметь минеральное происхождение, более высокий по сравнению с мусором удельный вес и содержать достаточный процент мелкой фракции. Поскольку этот наполнитель потребляется в больших количествах, его целесообразно добывать на месте расположения полигона, вынимая, в частности, грунт, подстилающий формируемый отвал. Кроме того в регионе появляется требующий утилизации строительный мусор, вывозятся загрязненные и вынутые при ремонте коммуникаций грунты, имеются золошлаковые отходы ТЭЦ и другие не токсичные промышленные отходы. Все это после некоторой доработки можно использовать в качестве нейтрального наполнителя для смешивания с измельченным мусором.
Следующим отличием (по п. 4) предлагаемого способа является то, что грунт, использующийся для стабилизации смеси, забирается непосредственно на месте формирования полигона, причем часть его снимается с подстилающего отсыпаемый массив горизонта, а часть берется из котлована, формируемого вдоль отсыпаемого массива; этот котлован используется в качестве водоема - отстойника, выполняющего демпфирующую, дренажную и противопожарную функции. Как пояснялось ранее, осадки и грунтовые воды не проникают в основную массу складированных отходов, тем не менее, из поверхностной и периферийных зон сформированного массива происходит вынос вредных веществ, наносящих ущерб экологии. Для минимизации этого вреда, вдоль формирующегося свалочного отвала отрывается котлован, глубина и расположение которого определяется особенностями движения грунтовых вод в данной местности. Бассейн заполняют грунтовые воды и, выносимые из бурта растворимые или жидкие отходы, дренируются в созданный искусственный водоем. В нем удобно их инспектировать и, при необходимости, принимать меры по дезактивации, например, проводить аэрацию или дозированное хлорирование водоема. Такая мера предотвратит дальнейшее распространение инфицированной органики по цепочке продвижения грунтовых вод. Кроме того, образованный бассейн-отстойник удобно использовать, как противопожарный водоем, а также в качестве источника воды для увлажнения полигона в сухие годы.
Следующим отличием (по п. 5) предлагаемого способа является то, что наряду с бытовыми отходами одновременно утилизируются местные органические отходы от птицефабрик, свиноводческих комплексов, а также канализационные отходы и иловые остатки; эти специфические отходы сбалансированно смешиваются с бытовыми отходами. Органические отходы этого класса не принимаются на обычные свалочные полигоны из-за их вязкой консистенции. Городские очистные сооружения обычно сами занимаются канализационным фильтратом и иловыми осадками из аэрационных бассейнов. Их либо сжигают, либо захоранивают в траншеях на собственных свалках. Животноводческие хозяйства также не собираются платить полигонам за утилизацию своего навоза, - они его, якобы, используют для удобрения почвы, на деле же разливают рядом с комплексом. Природа долгое время не способна адаптировать эту вязкую концентрированную массу, оживляемую с каждым дождем. Названные органические отходы идеально вписываются в технологию настоящего способа. Смешивая их с грунтом и измельченным мусором в удобной пропорции, мы получим качественную смесь для закладки в отсыпаемый массив.
В нашем государстве наиболее распространенным способом утилизации бытовых отходов является прямое складирование их на специально выделенных территориях вблизи населенных пунктов. При этом формируются нестабильные, пожаро- и экологически опасные образования, требующие постоянных расходов на обслуживание в течение длительного времени и причиняющие серьезное беспокойство местному населению.
Неравномерный по составу мусор по мере разложения проседает, на обводившееся место закладываются новые порции отходов, поверхность полигона нужно постоянно разравнивать и уплотнять бульдозерами, в противном случае возникает самовозгорание. В результате с атмосферой одновременно контактирует большая поверхность гниющих отходов, что вызывает дополнительное загрязнение воздуха. По предлагаемому способу поступающие на полигон отходы предварительно измельчаются и смешиваются с нейтральным компонентом - грунтом, строительным мусором или другими неорганическими отходами. Образующаяся смесь имеет  удельный вес, обладает предсказуемой водо - и газопроницаемостью и пригодна для однократной и окончательной укладки в массив большой толщины. При этом с воздухом находится в контакте лишь незначительный процент отходов, а  их часть сразу попадает в анаэробные условия, где подвергается медленному и равномерному разложению. Профиль полигона формируется единовременно, равномерно проседает, не требует последующей рекультивации и, соответственно, отчуждает меньшую площадь.
Интересно взглянуть на то, как решается проблема избавления от бытового мусора в других странах мира. Здесь за лучший опыт принимаются технологии сжигания и глубокой переработки бытовых отходов. В условиях высокой плотности населения сжигание - это единственный способ радикально сократить объем отходов. Эта технология требует использования сложных высокотемпературных печей с устройствами газоочистки на выходе. Сжигание пластика при низкой температуре недопустимо, - образуются вредные гидроксильные, перекисные, карбонильные и эфирные группы, при высокой же температуре появляются опасные неорганические примеси - окись азота, хлористый водород и окись углерода, которые приходится химически нейтрализовывать на выходе из печи. При этом в любом случае весь углерод переходит в двуокись, - парниковый газ, который, попадая в атмосферу, неблагоприятно воздействует на экологию.
Глубокая переработка бытовых отходов также создает немало проблем. Процесс комплексной переработки плохо автоматизируется, использование ручного труда на этой не престижной и вредной работе малоэффективно, продукты переработки, за исключением металлов, не представляют достаточной ценности. Попытки полной термической деструкции органической компоненты бытовых отходов вплоть до углерода с выделением и комплексным использованием получаемых органических продуктов пока не выходит за рамки экспериментов.
По предлагаемому способу ручная сортировка полностью исключена из технологического процесса, - после измельчения отходов цветные и черные металлы автоматически отделяются, а оставшаяся масса смешивается с нейтральным компонентом и закладывается в бурт на место постоянного захоронения. Предполагается, что пластмасса, древесная масса и бумага не представляют ценности, оправдывающей затраты на сортировку. По технологии переработки поддерживается постоянное соотношение между органической и нейтральной компонентами смеси, - это способствует медленному и равномерному разложению мусора в анаэробных условиях, создающихся в закладываемом массиве. Значительное содержание неорганической составляющей, а также затрудненный доступ кислорода в массив смеси исключают возможность возгорания и позволяют формировать существенно более мощные отвалы (50-100 м), чем принято сейчас.
Поскольку доля пластика в современных материалах и продуктах постоянно растет, а время его эксплуатации незначительно, этот материал неизбежно попадает на свалку, по сути, это главный отход современной цивилизации. По сравнению с бытовыми органическими отходами пластик распадается очень медленно, поэтому под воздействием времени и давления на месте свалки постепенно сформируется антропогенная горная порода, похожая на сланец, которая консервирует потенциальный парниковый газ в виде твердых относительно стабильных соединений углерода. Вредные химические элементы, такие, как хлор или фтор будут постепенно исключаться из состава пластмасс по мере совершенствования технологии их изготовления, ведь обходится природа, создавая куда более ценные биополимеры такие, как хлопок, целлюлозу или шерсть без таких агрессивных элементов.
При подготовке мусора к складированию важной и непростой технологической операцией является его измельчение. Поступающие отходы сильно различаются по своей природе, консистенции и размеру, - придется применять разные способы воздействия на материал такие, как раздавливание, разрыхление, разрывание, разрезание, просеивание, магнитную и индукционную сепарацию металлов. Для этого потребуется соответствующие механизмы и гибкие технологические линии, однако не вызывает сомнения, что процесс поддается полной автоматизации и исключению ручной разбраковки мусора.
Другой затратной компонентой являются земляные работы по извлечению и доставке местного грунта к пункту смешивания. Здесь важно использовать транспортерный способ перемещения грунта и мусора, а также избежать двойной перегрузки земельной массы, - материал, вынутый из котлована, должен быть сразу использован. В регионе, богатом осадками, где единовременно формируется водоем - отстойник земляные работы могут проводиться методом гидроразмыва, и порода к месту смешивания подаваться по трубам в виде пульпы. В «сухих» регионах необходимость в водоеме отсутствует, и вынутый из котлована грунт сразу замещается подготовленной для захоронения смесью.
Глубина котлована и соответственно закладки мусора зависит от объема привозимых на утилизацию минеральных отходов, а также от объема вывозимого из котлована грунта в случае, если разрабатываемый пласт содержит полезные материалы такие, как песок, глину. При таком подходе мусорный полигон можно частично использовать как сырьевой карьер, что приведет к более глубокой закладке бурта, а также благоприятно воздействует на экономические показатели предприятия.
В качестве примера конкретной реализации способа рассмотрим полигон, рассчитанный на прием одного миллиона кубометров органических отходов в год или 3000 кубометров в сутки, это около ста больших мусоровозов. На каждые три кубометра привозимого на утилизацию спрессованного мусора придется вынуть один кубометр грунта, т.е. 1000 кубометров грунта в сутки; для 3-х кубового экскаватора - это дневная норма. За 25 лет размер полигона при толщине закладки смеси в 50 м составит 500 на 1000 м, при этом «активной» является только растущая фронтальная зона шириной в 500 м, «старые» участки по мере просадки закрываются почвой, взятой из верхнего слоя разрабатываемого карьера. При наличии водоема его ширина составит около 100 метров на всем протяжении полигона при глубине в 10 м.
На рисунке фиг. 1 дана схема расположения полигона, показаны механизмы по его обслуживанию, конвейерные линии по отгрузке грунта и приему мусорной смеси.
Схема участка по подготовке мусорной смеси представлена на фиг. 2. Поступающие на полигон отходы разделяют на три категории: иловые осадки водоканала и навоз с животноводческих предприятий - площадка 17, обычный бытовой мусор - площадка 18 и промышленные отходы - площадка 19. Илообразные отходы по своей природе мелкодисперсны, они подаются на вибросито и далее непосредственно в барабан смесителя 27. Посторонние включения, остающиеся на вибросите направляется через магнитный сепаратор 33 в шаровую мельницу 26.
Бытовые отходы наиболее разнообразны по структуре и поэтому трудны для измельчения. Вибрационная решетка 20 с крупными ячейками разделяет мусор на два потока, - мелкий мусор проходит в пластинчатую дробилку 23, а встречающиеся крупные фрагменты направляются в щековую дробилку 21. Далее вибросито 25 пропускает через себя мелкораздробленный мусор, а вязкая, связная компонента, например, пленка, ткань, волокна отделяются и попадают на разделительную щеточную машину 28, где металлические щетки разрывают материал на части. Измельченный в достаточной степени мусор проходит через устройство по индукционной и магнитной сепарации 34, где раздельно извлекаются цветные и черные металлы.
Производственные и строительные отходы, а также утилизируемый загрязненный грунт идут отдельным потоком, поскольку состоят в основном из минерального сырья. Они попадают на виброрешетку 20, мелкая фракция просыпается, а крупные куски, -кирпичи, бетон, крошатся на мелкий гравий в щековой дробилке 21.
Измельченный мусор в конечном счете попадает в смеситель - дозатор барабанного типа 27, где к нему добавляется в необходимой пропорции грунт, вынутый на этом же полигоне и дополнительно перемешанный в барабане 30. Готовая смесь подается по транспортеру на полигон непосредственно к месту укладки в бурт. Описываемая методика измельчения мусора носит иллюстративный характер, не претендует на оригинальность и имеет целью показать, что задача обеспечения автоматической приемки и подготовки мусора к захоронению не сложна.
Перечень позиций по рисункам фиг. 1 и фиг. 2
1. тело отсыпанного бурта
2. уровень земной поверхности на территории полигона
3. зона выемки грунта
4. устройство для укладки смеси в массив
5. экскаватор
6. дно котлована
7. приемник грунта
8. ленточные транспортеры для грунта
9. ленточные транспортеры для смеси
10. направление на участок подготовки смеси
11. водоем - отстойник
12. пожарное судно
14. поступление илообразных отходов
15. поступление бытового мусора
16. поступление производственных и строительных отходов
17. буферная площадка илообразных отходов
18. буферная площадка бытового мусора
19. буферная площадка производственных и строительных отходов
20. вибрационная решетка
21. щековая дробилка
22. некондиционные включения
23. пластинчатая дробилка
24. вальцы для раздавливания
25. вибросито
26. шаровая мельница
27. смеситель - дозатор барабанного типа
28. разделительная щеточная машина, разрыв вязкой фракции
29. выход смеси для отправки в бурт
30. нормализующий барабан
31. буферная площадка для грунта
32. поступление грунта
33. магнитный сепаратор
34. устройство по индукционной и магнитной сепарации.