СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DISPOSAL OF SOLID HOUSEHOLD WASTES AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к способам и устройствам совместной утилизации нефтесодержащих и твердых бытовых отходов (ТБО).
Известен способ совместного складирования нефтесодержащих и твердых бытовых отходов, в котором маслосодержащие отходы благодаря специальным физическим, биохимическим и микробиологическим свойствам разлагаются с образованием биогаза, при этом ТБО плотностью 307-493 кг/м с содержанием органических веществ 203-342 г/кг интенсивно перемешивают с масляными отходами, содержащими нефть или побочные продукты нефтепереработки, при массовом соотношении (3-4,5):1 и при обеспечении содержания нефти в смеси не выше 5 мас.% (см. патент СССР №1658819 A3, МПК C05F 9/00, B09B 1/00, 1991 г.).
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе не предполагается аэрирование фрагментов свалочного тела, требуется дополнительное газоотводное оборудование для отвода биогаза, образующегося при анаэробном разложении нефтесодержащих отходов, размещаемых совместно с твердыми бытовыми отходами, не достигается максимальная степень осадки размещаемых отходов.
Известен способ переработки нефтешламов и очистки замазученных грунтов нефтеокисляющими микроорганизмами, навозом и адсорбентами, при котором навоз вводят порциями равномерно в количестве от 120 до 500% к объему грунта, затем вводят гипс. Создают условия проникновения в образованный компост кислорода, в результате чего интенсифицируется микробиологический процесс с повышением температуры до 60°C (Патент РФ №2250146, МПК B09C 1/10, опуб. 2005.20.04).
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе не предусмотрено использование свалочного тела полигона в качестве биосорбционного реактора разложения нефтесодержащих отходов. Кроме того, недостатком способа является использование дефицитного органического удобрения для понижения класса опасности нефтесодержащих отходов с целью их последующего размещения на полигонах.
8
10
Известен способ складирования твердых бытовых отходов, включающий их размещение на отведенных для этого площадках, при котором размещение твердых бытовых отходов производят на специально обустроенных гидроизоляционным экраном площадках послойно совместно с биодобавками на основе смеси осадков сточных вод, избыточных активных илов канализационных очистных сооружений и наполнителей - компостов заводов по переработке твердых бытовых отходов, при послойном размещении твердые бытовые отходы смешивают с биодобавками, обсемененность которых микрофлорой-редуцентом составляет 10-10 клеток/г, при массовом соотношении (20-22):1 и при обеспечении содержания биодобавок в количестве 5-7 мас.% от общей массы размещаемых твердых бытовых отходов. (Патент РФ №2247610, МПК B09B 1/00, опуб. 28.10.2003).
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе не предполагается нагнетание нефтесодержащих отходов в толщу массива через сеть нагнетательных скважин и аэрация фрагментов свалочного тела, что не позволяет увеличить осадку сформированного техногенного массива и полезную вместимость объекта размещения отходов.
Известно устройство полигона твердых бытовых отходов, включающее основание, ограждающие сооружения, противофильтрационный экран, дренажную систему сбора и очистки фильтрата, газосборную систему, изолирующее покрытие поверхности полигона (Патент РФ №2330733, МПК B09B 1/00, опуб. 2008.08.10).
Недостатками устройства полигона являются анаэробные условия протекания процесса с образованием биогаза, при которых требуется дополнительное газоотводное оборудование для отвода биогаза, а также высокая продолжительность анаэробного разложения органических компонентов отходов.
Наиболее близким способом и устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ и устройство совместной утилизации отходов, включающий размещение твердых бытовых отходов в чаше полигона, отведение дренажных вод на испарительный пруд, последовательное нагнетание отходов и воздуха в нагнетательные скважины, расположенные в свалочном теле-массиве, формирование аэробной, переходной и анаэробной зон, при этом отходы нагнетают в скважины, затем нагнетают воздух, делают паузу на 1-3 суток, после чего повторяют процесс нагнетания в скважины отходов и воздуха, а для реализации указанного способа использован полигон для размещения твердых бытовых отходов, включающий чашу полигона, гидроизолированную от окружающего грунта геомембраной, вмещающую свалочное тело, сеть нагнетательных скважин с перфорацией, дренажную систему, при этом полигон дополнительно имеет систему нагнетания отходов, включающую горизонтальные параллельные коллектора, объединяющие нагнетающие скважины, распределительное устройство, выполненное в виде горизонтальных щелевых труб, расположенных параллельно коллекторам системы нагнетания осадков, дренажную систему, колодец, причем глубина расположения нагнетательных скважин составляет 0,5-0,8 H, где H - глубина чаши полигона, а распределительное устройство и коллекторы нагнетательных скважин расположены в чаше полигона ниже глубины промерзания, при этом дно чаши полигона имеет уклон в сторону колодца (Патент РФ №2406578, МПК B09B 3/00, опуб. 20.12.2010).
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе не происходит определения времени окончания процесса уплотнения массива твердых бытовых отходов, что не позволяет выбрать рациональный способ организации строительной и иной хозяйственной деятельности на пострекультивацонном пространстве полигона размещения отходов, отсутствует обоснование выбора оптимальной концентрации нагнетаемой смеси, что не обеспечивает достижения максимально возможной осадки массива, приводящей к увеличению полезной вместимости и срока эксплуатации объекта размещения отходов.
Недостатком устройства полигона, принятого за прототип, является сложность организации теплоизоляционного экрана и системы фильтрования дренажных вод свалочного тела в условиях действующего объекта размещения отходов, что значительно ограничивает область применения данного изобретения, кроме того, размещение скважин на глубине 0,5-0,8 H, где H - глубина чаши полигона, при глубине современных полигонов 15 м и более, не позволяет нагнетать отходы в аэробную и переходную зоны, которые являются наиболее предпочтительными для закачки и биоразложения отходов в виду высоких значений пористости, а также естественной доступности кислорода с поверхности.
Задачей изобретения является сокращение продолжительности процесса осадки массива отходов при совместной утилизации твердых бытовых и нефтесодержащих отходов.
Технический результат - сокращение продолжительности и увеличение осадки массива при оптимальных значениях концентрации нефтепродуктов в смеси с твердыми бытовыми отходами, приводящими к увеличению полезной вместимости и срока эксплуатации объекта размещения отходов, определение времени окончания процесса осадки, а также упрощение устройства и интенсификация процесса биоразложения нефтеотходов.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что в известном способе, включающем размещение твердых бытовых отходов в чаше полигона, отведение дренажных вод на испарительный пруд, последовательное нагнетание отходов и воздуха в нагнетательные скважины, расположенные в свалочном теле, формирование аэробной, переходной и анаэробной зон, особенность заключается в том, что нефтесодержащие отходы влажностью 80-95% нагнетают в скважины в теплое время года при температуре воздуха более 5°C в количестве, необходимом для обеспечения концентрации нефтепродуктов в смеси с твердыми бытовыми отходами в диапазоне 1-2% мас., которая является оптимальной, затем нагнетают воздух, при этом аэрацию насыщенной нефтесодержащими отходами толщи массива осуществляют через сеть тех же нагнетательных скважин, через которые производят закачку нефтесодержащих отходов, а величину осадки
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>h</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mo>−</mo></msup><msup><mrow /><mrow><mfrac><mi>τ</mi><mi>T</mi></mfrac></mrow></msup></mrow>
размещаемых отходов определяют по формуле:
,
ос
где H - величина осадки слоев размещаемых отходов, в метрах;
h - начальное значение высоты размещаемых отходов, в метрах;
τ - текущее время осадки слоев размещаемых отходов, в сутках;
T - постоянная времени процесса осадки слоев размещаемых отходов, в сутках,
а время максимальной осадки отходов определяют по формуле: t=3·T, где t - время, при котором процесс осадки входит в зону 5% от величины установившегося значения осадки слоев размещаемых отходов, т.е. t - время окончания процесса осадки.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что полигон для размещения отходов включает чашу полигона, гидроизолированную от окружающего грунта геомембраной, вмещающую свалочное тело, сеть нагнетательных скважин с перфорацией, дренажную систему, испарительный пруд, насосную станцию для подачи отходов в горизонтальные параллельные коллектора, объединяющие нагнетающие скважины, компрессор, отличающееся тем, что в качестве насосной станции и компрессора для нагнетания нефтесодержащих отходов в толщу массива и его аэрации в устройстве используется передвижной бойлер, оборудованный компрессором, что обеспечивает упрощение устройства полигона, а глубина расположения нагнетательных скважин составляет 2-6 м, что позволяет нагнетать нефтесодержащие отходы в аэробную и переходную зоны полигона.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявленной группы изобретений с получением вышеуказанного технического результата, получены в ходе апробации способа размещения и утилизации твердых бытовых и нефтесодержащих отходов на опытно-экспериментальных площадках полигона захоронения твердых бытовых отходов г.Тольятти Самарской области.
Пример.
В границах объекта размещения отходов выделяют опытную и контрольную карты, на выделенных картах размещают твердые бытовые отходы от селитебной зоны г.Тольятти. На бровках выделенных карт устанавливаются репера для проведения технического нивелирования за степенью и значением осадки размещенных отходов. Замер высотных отметок осуществляется нивелиром H-3, прошедшим метрологическую поверку. На опытной карте Фиг.1 выделяют 5 опытно-экспериментальных площадок с размерами в плане 30×30 м каждая, расположенных в шахматном порядке для исключения перетекания нефтепродуктов в границы соседних опытно-экспериментальных площадок, достигая этим повышение точности эксперимента.
С июня по октябрь 2009 г. в различные горизонты массива на каждой из пяти опытно-экспериментальных площадок через сеть нагнетательных скважин 1 при помощи передвижного бойлера, оборудованного компрессором, производится закачка нефтесодержащих отходов, в количестве, необходимом для обеспечения массовой концентрации нефтепродуктов в смеси с твердыми бытовыми отходами в диапазоне от 1 до 5%.
5
Для биоразложения закачанных в процессе опыта нефтепродуктов в массиве предусматривается система высоконапорной аэрации. Аэрация насыщенной нефтепродуктами толщи массива осуществляется от передвижного компрессора через сеть тех же нагнетательных скважин, через которые производится закачка нефтесодержащих отходов. Давление, развиваемое компрессором в устье скважины, составляет 7·10 Па. Расход воздуха, необходимого для окисления органики нефтепродуктов, теоретически определяется по стехеометрической потребности в кислороде. На практике общий максимальный расход воздуха, необходимый для полного разложения органики, составляет 6,8 литра на 1 грамм. Диапазон концентраций нефтепродуктов в смесях нефтесодержащих и твердых бытовых отходов, подвергаемых компостированию, лежит в пределах от 10000 до 50000 мг/кг. То есть максимальная концентрация органики, подвергающейся окислению, составляет от 1 до 5% мас. Эти значения выбираются в качестве лимитирующих для определения потребного расхода воздуха. Наиболее интенсивно производилась продувка анаэробной зоны, начиная с глубин 6,0 м и ниже, для интенсификации процессов разложения вещества. Именно в эту зону затруднен естественный доступ кислорода с поверхности.
Аэрацию переходной зоны рекомендуется осуществлять в дробном режиме - не более 3-5 раз за весь срок обработки.
Продувку аэробной зоны можно не осуществлять в виду естественной доступности кислорода с поверхности.
Исследование трансформации массива ТБО с контролем его осадки осуществляется как в границах опытной карты на экспериментальных площадках, так и для сравнения на территории контрольной карты, где нагнетание нефтесодержащих отходов и аэрация отсутствовали.
В ходе эксперимента были исследованы температурные, структурно-фильтрационные и биохимические характеристики свалочного тела, необходимые для оценки степени и характера биоразложения нефтесодержащих отходов в толще.
В качестве примера, в таблицах 1-3 представлены цифровые матрицы одного из исследованных профилей полигона: температурная матрица, матрица пористости и матрица воздухопроницаемости.
Таблица 1
Температурная матрица вещества массива
точки отбора
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
абс. отм.
горизонт
75.50
-1.00
56,9
55,6
53,6
58,8
55,2
-
-
54,3
-
-
74.50
-2.00
41,2
40,8
36,4
40,5
38,7
42,4
42,8
40,9
41,9
42,1
73.50
-3.00
34,9
34,1
30,2
31,4
30,9
34,7
34,5
33,1
33,8
30,2
72.50
-4.00
21,8
22,6
24,3
22,5
26,1
27,3
26,4
24,1
23,2
21,5
71.50
-5.00
20,1
19,6
18,2
20,1
19,4
21,7
22,4
19,3
18,1
18,2
70.50
-6.00
17,9
16,8
17,1
19,8
17,3
20,4
21,5
16,1
16,3
19,9
69.50
-7.00
14,1
13,2
13,1
14,7
13,2
18,3
17,4
12,8
14,1
16,5
68.50
-8.00
9,2
8,6
8,1
9,3
9,9
12,4
12,9
8,3
11,7
12,1
67.50
-9.00
7,4
7,1
6,4
7,5
7,4
7,4
7,1
6,1
7,2
6,9
66.50
-10.00
6,3
6,9
6,1
7,3
6,9
6,2
6,8
5,8
6,6
6,3
65.50
-11.00
5,9
6,3
5,8
6,7
6,1
6,0
6,2
5,8
6,2
6,1
64.50
-12.00
5,9
6,1
5,8
6,4
5,9
5,8
6,0
5,8
6,0
6,0
63.50
-13.00
5,7
6,0
5,6
6,2
5,8
5,8
5,9
5,6
5,8
5,7
62.50
-14.00
5,7
5,9
5,3
6,0
5,6
5,7
5,9
5,6
5,6
5,4
Таблица 2
Матрица пористости вещества массива
точки отбора
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
абс. отм.
горизонт
75.50
-1.00
0,59
0,52
0,49
0,47
0,52
0,57
74.50
-2.00
0,49
0,42
0,42
0,45
0,48
0,47
0,49
0,47
0,47
0,53
73.50
-3.00
0,37
0,38
0,41
0,43
0,45
0,42
0,43
0,45
0,43
0,49
72.50
-4.00
0,30
0,33
0,31
0,36
0,39
0,37
0,35
0,31
0,40
0,41
71.50
-5.00
0,27
0,28
0,29
0,34
0,32
0,33
0,30
0,32
0,35
0,37
70.50
-6.00
0,25
0,26
0,26
0,30
0,29
0,31
0,30
0,30
0,32
0,34
69.50
-7.00
0,22
0,25
0,23
0,27
0,27
0,27
0,29
0,27
0,25
0,28
68.50
-8.00
0,21
0,23
0,21
0,23
0,25
0,23
0,24
0,25
0,23
0,24
67.50
-9.00
0,17
0,20
0,19
0,20
0,20
0,21
0,23
0,18
0,20
0,22
66.50
-10.00
0,15
0,17
0,19
0,12
0,17
0,18
0,20
0,16
0,14
0,16
65.50
-11.00
0,14
0,15
0,17
0,11
0,16
0,16
0,19
0,16
0,13
0,15
64.50
-12.00
0,12
0,13
0,15
0,09
0,12
0,14
0,17
0,14
0,11
0,13
63.50
-13.00
0,12
0,12
0,13
0,09
0,11
0,11
0,14
0,13
0,10
0,10
62.50
-14.00
0,11
0,10
0,12
0,08
0,10
0,08
0,12
0,10
0,08
0,09
Таблица 3
Матрица воздухопроницаемости вещества массива
точки отбора
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
абс. отм.
горизонт
75.50
-1.00
12,9
11,6
10,6
14,8
12,2
-
-
13,3
-
~
74.50
- 2.00
10,2
10,8
10,4
12,5
11,7
10,4
11,8
11,9
11,9
10,1
73.50
-3.00
9,9
10,1
10,2
11,4
10,9
10,7
10,5
10,1
10,8
10,2
72.50
-4.00
9,8
9,6
9,3
10,5
10,1
9,3
9,4
10,1
10,2
9,5
71.50
-5.00
9,1
9,6
9,2
10,1
9,4
9,7
9,4
9,3
9,1
9,2
70.50
-6.00
8,9
8,8
8,1
9,8
8,3
9,4
9,5
9,1
9,3
9,9
69.50
-7.00
8,1
8,2
8,1
9,7
8,2
8,3
8,4
8,8
8,1
8,5
68.50
-8.00
7,2
7,6
8,1
9,3
9,1
8,4
8,9
8,3
7,7
8,1
67.50
-9.00
6,4
7,1
6,4
7,5
7,4
7,4
7,1
7,1
7,2
6,9
66.50
-10.00
5,3
6,9
6,1
7,3
6,9
6,2
6,8
6,8
6,6
7,3
65.50
-11.00
5,9
6,3
5,8
6,7
6,3
6,0
6,2
5,8
6,2
6,1
64.50
-12.00
5,9
6,1
5,8
6,4
5,9
5,8
6,0
5,8
6,2
6,1
63.50
-13.00
4,7
5,0
5,6
5,4
5,8
5,8
5,9
5,6
5,8
5,7
62.50
-14.00
4,7
3,9
5,3
5,0
5,5
5,7
4,9
5,1
5,2
5,5
Обработка массивов данных с использованием метода главных компонент [Михайлов Е.В. Совершенствование технологии совместного размещения осадков сточных вод и твердых бытовых отходов. / Автореферат диссертации на соискание уч. степени к.т.н. - Уфа, 2008] позволила построить объемную геометрическую модель исследуемого фрагмента полигона Фиг.2. Изучение геометрической модели позволило дифференцировать в его теле три однородных по глубине и степени разложения нефтесодержащих отходов зоны: аэробную 2 на глубинах до 3,0 м; переходную 3 - от 3,0 до 6,0 м и анаэробную 4 - более 6 м.
В ходе эксперимента была исследована деструкция нефтесодержащих отходов в толще массива. В таблице 4 представлены данные о зависимости эффективности деструкции нефтесодержащих отходов от глубины массива на опытно-экспериментальных площадках полигона.
Таблица 4
Эффективность деструкции, %
Глубина массива, м
С исх. н/п 1%
С исх. н/п 2%
С исх. н/п 3%
С исх. н/п 4%
С исх. н/п 5%
0,1
99,2
98,9
98,4
97,5
96,1
1
92,2
88,6
82,9
75,6
68,2
2
88,4
80,0
69,6
63,1
58,4
3
85,4
75,0
63,7
57,4
53,6
4
83,5
70,7
60,4
53,1
50,4
5
81,0
68,2
56,9
50,6
47,6
6
79,4
66,3
54,9
48,7
45,7
7
78,0
65,3
53,3
47,3
44,1
9
76,1
63,1
51,7
45,5
41,7
Эффективность деструкции нефтепродуктов определялась по формуле:
<mrow><mi>Э</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>С</mi><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mo>/</mo><mi>п</mi><mo>−</mo><mi>С</mi><mi>к</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mo>/</mo><mi>п</mi></mrow><mrow><mi>С</mi><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>н</mi><mo>/</mo><mi>п</mi></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>100</mn><mi>%</mi></mrow>
где Э - эффективность деструкции нефтепродуктов, %
Сисх.н/п - исходная массовая концентрация нефтепродуктов в смеси с твердыми бытовыми отходами, % мас.
Ск.н/п - конечная массовая концентрация нефтепродуктов в смеси с твердыми бытовыми отходами, % мас.
Из таблицы 4 следует, что наиболее благоприятной для биоразложения нефтепродуктов являются аэробная до 3 м и переходная от 3 до 6 м зоны массива с глубиной заложения скважин 2-6 м, причем максимальная эффективность деструкции значительно уменьшается при увеличении исходной массовой концентрации нефтепродуктов в смеси с твердыми бытовыми отходами более 2%.
Особое внимание в ходе эксперимента было уделено исследованию осадки массива, происходящей за счет фильтрационной консолидации свалочного тела и способствующей увеличению полезной вместимости карьерного полигона по размещаемым твердым бытовым отходам. Результаты, полученные в ходе технического нивелирования, приведены в таблицах 5 и 6.
Таблица 5
Сисх.н/п, % мас.
1
2
3
4
5
Степень осадки ΔН, %
5,29
12,4
14,19
14,78
14,99
Таблица 6
Время t, сут
Величина осадки, м
контрольная карта. Сисх. н/п=0% мас.
площадка №1 Сисх.н/п=1% мас.
площадка №2 Сисх.н/п-2% мас.
площадка №3 Сисх.н/п=3% мас.
площадка №4 Сисх.н/п-4% мас.
площадка №5 Сисх.н/п=5% мас.
0
2,00
2,00
2,00
2,03
2,00
2,01
30
1,66
1,35
1,25
1,10
1,05
1,00
60
1,39
1,01
0,85
0,75
0,70
0,64
90
1,20
0,78
0,65
0,57
0,53
0,47
120
1,10
0,64
0,50
0,46
0,40
0,34
150
1,04
0,55
0,44
0,39
0,34
0,28
180
0,98
0,50
0,39
0,33
0,27
0,25
210
0,94
0,47
0,37
0,29
0,25
0,23
Динамика консолидации (уплотнения) массива представлена на Фиг.3. Из графика видно, что за период наблюдения при одинаковых размерах, составе свалочных тел и режимах уплотнения осадка фрагментов массива твердых бытовых отходов происходила в среднем в 3 раза быстрее, чем на контрольной карте (постоянная времени процесса осадки - T на опытно-экспериментальных площадках в среднем в 3 раза меньше, чем на контрольной карте). Это объясняется интенсивным аэробным разложением органического вещества с выделением газообразных продуктов распада, образованием и «схлопыванием» пор и, как следствие, ускорением уплотнения.
Осадка массива сопровождалась разложением нефтепродуктов в толще под действием аборигенной микрофлоры ТБО, постепенно адаптируемой к деструкции углеводородов. Здесь особое значение имеют диапазоны исходных концентраций нефтепродуктов в конгломератах свалочного грунта Фиг.4. Обработка экспериментальных данных позволила установить оптимальные концентрации углеводородной части нефтесодержащих отходов в смеси с твердыми бытовыми отходами, лежащие в интервале 1-2% мас. Нагнетание нефтесодержащих отходов в количествах, обеспечивающих содержание нефтепродуктов в смеси с твердыми бытовыми отходами более 2%, не приводит к существенным изменениям значений осадки размещаемых отходов в сравнении с площадками 1 и 2, где обеспечивалась концентрация углеводородов 1 и 2% соответственно, и оказывает отрицательное влияние на эффективность деструкции нефтепродуктов в массиве, что приводит к значительному увеличению продолжительности процесса деструкции во времени. Нагнетание нефтесодержащих отходов в количествах, обеспечивающих содержание углеводородов в смеси с ТБО менее 1%, не приводит к существенным изменениям значений осадки размещаемых отходов в сравнении с контрольной картой, где не производилось нагнетание нефтесодержащих отходов и аэрация массива.
Таким образом, из полученных опытных данных следует, что указанный технический результат достигается при нагнетании нефтесодержащих отходов в количествах, обеспечивающих содержание нефтепродуктов в смеси с твердыми бытовыми отходами 1-2%, при этом время, при котором процесс осадки входит в зону 5% от величины максимальной осадки размещаемых твердых бытовых отходов, определяется по формуле:
t=3·T, где
T - постоянная времени процесса осадки размещаемых твердых бытовых отходов, в сутках.