УДК 628.47

ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ ОБРАЩЕНИЯ С ТВЕРДЫМИ БЫТОВЫМИ ОТХОДАМИ (ОБЗОР)

Крупнова Татьяна Георгиевна1, Кострюкова Анастасия Михайловна2, Машкова Ирина Вячеславовна3
1ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет" (НИУ), кандидат химических наук, доцент кафедры экологии и природопользования
2ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет" (НИУ), кандидат химических наук, доцент кафедры экологии и природопользования
3ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет" (НИУ), кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии и природопользования

Аннотация
В статье представлены материалы о передовых технологиях сбора, утилизации и захоронения твердых бытовых отходов, применяемых за рубежом.

Ключевые слова: анаэробное сбраживание, компостирование, крытые полигоны, осадки сточных вод, пиролиз, свалочный газ, силоксаны, твердые бытовые отходы


FOREIGN EXPERIENCE OF MUNICIPAL SOLID WASTE MANAGEMENT (REVIEW)

Krupnova Tatyana Georgievna1, Kostryukova Anastasia Mihailovna2, Mashkova Irina Vyacheslavovna3
1FSFEI of HPE «South Ural State University» (NRU), PhD in Chemical Science, Assistant Professor of the Ecology and Nature Management Department
2FSFEI of HPE «South Ural State University» (NRU), PhD in Chemical Science, Assistant Professor of the Ecology and Nature Management Department
3FSFEI of HPE «South Ural State University» (NRU), PhD in Biological Science, Assistant Professor of the Ecology and Nature Management Department

Abstract
In this article the materials about advanced foreign technologies for collection, recycling and disposal of Municipal Solid Waste are presented.

Keywords: anaerobic digestion, composting, landfill gas, municipal solid waste, pyrolysis, roofed landfill, sewage sludge, siloxanes


Библиографическая ссылка на статью:
Крупнова Т.Г., Кострюкова А.М., Машкова И.В. Зарубежный опыт обращения с твердыми бытовыми отходами (обзор) // Современная техника и технологии. 2014. № 8 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2014/08/4250 (дата обращения: 01.10.2017).

На сегодняшний день в Российской Федерации сфера обращения с коммунальными отходами является одной из самых экологически неблагополучных, тогда как за рубежом проблемы в этой области решаются вполне успешно.

Используемые методы обработки отходов в разных странах также различаются.  В 2010 т. в 27 странах — членах ЕС 38 % муниципальных отходов были захоронены  на полигонах, 22 % — сожжены, 25 % — переработаны в качестве вторичных материальных ресурсов и 15 % — подверглись компостированию. Болгария по-прежнему размещает на полигонах 100 % своих муниципальных отходов. Сжигают отходы чаще всего в Дании (54 %), Швеции (49 %), Нидерландах (39 %)и Германии (38 %). Переработка в качестве вторичных материальных ресурсов — наиболее распространенный способ обращения с муниципальными отходами в Германии (45 %) и Бельгии (40 %). В Австрии отмечается самый высокий уровень в ЕС переработки и компостирования отходов (70 %) [1].

В Японии все отходы подвергаются рециклингу [2]. Первым основополагающим законом в сфере управления отходами стал принятый в 1970 г. закон об управлении отходами и санитарно-гигиенической очистке общественных. Данный закон неоднократно пересматривался и дополнялся новыми законодательными объектами в соответствии с развитием концепции общества «рециклирования. Так, в 1992 г. был принят Закон о форсировании использования вторичного сырья, в котором закреплена необходимость претворения в жизнь принципа «3R». С  июня 2000 г. этот закон переименован в Закон о форсировании эффективного использования сырья. В сферу применения данного закона входят 69 изделий (из 10 отраслей), использование которых приводит к образованию примерно 50% всех бытовых и промышленных отходов. В соответствии с изменениями 2000 г. в Закон о рециклировании тары и упаковочных отходов  ответственность за переработку упаковочных отходов была возложена на промышленные предприятия, хотя собирают их муниципалитета. Указанный закон вначале применялся к стеклянным и пластиковым бутылкам, а в 2000 г. был распространен на бумажные и пластиковые материалы.

После принятия основного закона об обществе с устойчивым материальным циклом законодательство, регламентирующее управление отходами в Японии, было усовершенствовано и дополнено. Так, в результате внесения в 2008 г. поправок введена новая система, которая в целях повышения эффективности рециклирования сырья и снижения общественных затрат предусматривает так называемые «денежные пожертвования на рационализацию», которые представляют собой  денежные взносы муниципальных властей в том случае, если реальные расходы на утилизацию твердых бытовых отходов (ТБО) окажутся ниже их расчетной суммы; их размер равен половине суммы экономии затрат. Тем самым государство стимулирует повышение эффективности утилизации ТБО [2].

Что касается полигонов, которые являются простейшими и наиболее распространенными сооружениями по обезвреживанию ТБО, то наиболее передовым опытом Японии является строительство крытых полигонов. Первый крытый полигон был построен в Японии в июле 1998 г., к 2010 г. построены или находились в стадии строительства 54 крытых полигона, что составило примерно 2 % городских полигонов ТБО страны [3].

Область крытого полигона окружена крышами и стенами так, чтобы отходы не были видны снаружи. Покрытие (крыша) может быть либо фиксированным, либо съемным. Последний тип используется для полигонов, которые разбиты на несколько отсеков, где покрытие передвигаться с закрытой области на активную. В Японии съемное покрытие имеют 11 полигонов. Материал покрытия – полупрозрачная пластиковая мембрана или сложенная пластинами сталь. Объем полигона относительно невелик, размеры варьируются в пределах  1900–311200 м3, и только пять крытых полигонов Японии имеют объем 100 000 м3 и более. Больший процент ТБО, образующихся в Японии, подвергается сжиганию, таким образом, складируемые отходы состоят в основном из несжигаемых и сожженных остатков. Из 54 крытых полигонов, пищевые отходы складируются только на двух. Отходы, размещенные на крытых полигонах, не видны с прилегающих территорий; наличие покрытия предотвращает рассеивание отходов, пыли и распространение неприятного запаха, также полигоны такого типа характеризуются низким и постоянным уровнем фильтрата – контролируемым потоком влаги (удаление осадков и орошение регулируемым количеством воды), и простотой эксплуатации, если построены под землей или имеют бетонное покрытие. Схема устройства крытого полигона представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Схема крытого полигона [3]

Крытые полигоны характеризуются полуаэробными процессами разложения отходов. Их отличительной особенностью является то, что газовые отверстия и трубы для сбора фильтрата сформированы в сеть, обеспечивающую поступление наружного воздуха за счет естественной конвекции. Главным преимуществом крытых полигонов является возможность контролировать влажность складируемых отходов. Это снижает шансы увеличения количества и перелива фильтрата за пределы полигона в период ливневых осадков. На исследованных в работе [3] крытых полигонах из-за отсутствия дополнительного орошения влагосодержание было ниже, чем оптимальный уровень необходимый для протекания процессов биоразложения в полуаэробных условиях. Таким образом, в настоящее время такой способ организации полигонов находится на стадии инженерной доработки.

Полигоны ТБО являются третьим по величине антропогенным источником метана на планете, выделяя около 11 % общемирового количества метановых выбросов, или без малого 799 млн. т в 2010 г [4].

В таблице 1 приведены данные по выбросу метана на полигонах ТБО для стран, занимающих первые десять мест по данному показателю [4].

Образование свалочного газа продолжается в течение десятков лет после прекращения приема отходов, при этом наиболее активная фаза газовыделения составляет 20–30 лет.

Таблица 1 – Расчетный объем метана, выделившегося на полигонах ТБО за 2010 г. [4]

Страна

Объем выделенного метана, млн. т CO2(экв)

США

129,7

Китай

47,1

Мексика

38,4

Россия

37,1

Турция

33,1

Индонезия

28,3

Канада

20,7

Великобритания

18,9

Бразилия

17,8

Индия

15,9

Технология получения биогаза включает две технологические схемы: получение биогаза с эксплуатируемых полигонов и получение биогаза с закрытых полигонов.

Начиная с 1980-х гг. на всех американских полигонах (как на закрытых, так и на действующих) организовано извлечение свалочного газа и сжигание содержащегося в нем метана. В настоящее время в 32 штатах приняты законы, обязывающие утилизировать тепло от сжигания свалочного газа непосредственно или для получения электроэнергии [5].

В настоящее время технология сбора свалочного газа активно внедряется и в европейских странах. Свалочный газ рассматривается как источник чистой энергии для получения электроэнергии, вырабатываемой газовыми двигателями или турбинами. В работе [6] американскими и турецкими специалистами был изучен состав свалочного газа, собираемого на полигоне Одаери, расположенном в г. Стамбуле, в Турции. Собранный на этом полигоне газ используется для производства электроэнергии. Газовые двигатели, используемые для получения электроэнергии, работают на свалочном газе в первую очередь за счет сжигания метана. Но также в свалочном газе содержатся следы других газов, таких как сероводород, летучие органические соединения (ЛОС), и силоксаны. Концентрация микрокомпонентов в свалочном газе значительно влияет на применении газа для получения энергии, а также оказывает негативное воздействие на окружающую среду.

В работе [6] были проведены исследования побочных соединений (микропримесей) вводимых в газовый двигатель, была проведена оценка концентраций микропримесей, их влияние на работу двигателя и среднее время работы двигателя. Свалочный газ на полигоне Одаери собирался из 134 скважин.

Процесс переработки отходов в энергию на полигоне Одаери представлен на рис. 2, состав отходов приведен в таблице 2.

В таблице 3 представлены концентрации силоксановых соединений в свалочном газе в 2009 и 2011 годах.

Рисунок 2 – Процесс переработки отходов в энергию на полигоне Одаери [6]

Таблица 2 – Содержание ТБО в г. Стамбуле, Турция [6]

Компоненты

Среднее содержание, %

Полигоны Азии, %

Полигоны Европы, %

Среднее значение, %

Бумага

8.4

6.27

11.27

8.77

Картон

3.49

5.56

4.53

Цветное стекло

2.3

2.05

3.44

2.74

Бесцветные стекла

2.3

3.01

3.15

3.08

ПЭТ-бутылок

0.99

2.05

1.52

Пластиковые пакеты

8.42

10.55

9.48

Пластик

11

3.21

3.56

3.39

Мешковина

0.25

0.45

0.35

Металлы (железо)

2.3

0.89

0.87

0.88

Алюминий

0.45

0.92

0.68

Другие металлы

0.13

0.00

0.07

Органика

48

56.31

44.13

50.22

Подгузники

3.2

3.72

4.08

3.90

Дерево

0.5

0.53

0.51

Электротехническое оборудование

0.11

0.20

0.15

Батареи

0.02

0.00

0.01

Текстиль

2.9

4.77

5.80

5.28

Упаковки

(Тетра-Пак)

0.66

0.61

0.61

Горючие вещества

6.3

2.62

1.58

2.10

Угольная зола

13.2

1.51

1.17

1.34

Камень, щебень

0.64

0.09

0.36

Итого

100

100

100

100

Таблица 3 – Концентрация силоксанов в свалочном газе полигона Одаери [6]

Параметр

Единицы измерения

7/09 Газовый двигатель

4/11 Газовый двигатель

Силоксаны

декаметилтетрасилоксан (L4)

мг/м3

<0.1

<0.1

декаметилциклопентасилоксан (D5)

мг/м3

3.9

2.3

додекаметилциклогексасилоксан (D6)

мг/м3

НИ

НИ

гексаметилдисилоксан

мг/м3

2

2.3

гексаметилциклотрисилоксан (D3)

мг/м3

0.3

0.3

октаметилциклотетрасилоксан (D4)

мг/м3

6.9

6.8

октаметилтрисилоксан (L3)

мг/м3

0.1

0.1

Примечание: НИ – не измеряется

При концентрации силоксанов превышающей пределы, предусмотренные производителями газовых двигателей, может быть необходима предварительная обработка для защиты газовых двигателей и поддержания гарантии производителя. В таблице 4 приведены предельные концентрации силоксановых соединений для двигателей различных производителей. Средняя концентрация силоксанов в свалочном газе на полигоне Одаери 10,15 мг/м3, а общая концентрация силикатных соединений составляла около 1,015 кг/день при сжигании 100 000 м3 свалочного газа в день.

Таблица 4 – Предел концентрации силоксанов в свалочном газе для газовых двигателей различных компаний [6]

Производитель двигателя

Концентрация силоксанов в СГ

Caterpillar

28 мг/м3

Jenbacher

10 мг/м3

Waukesha

25 мг/м3

Deutz

5 мг/м3

Solarturbines

0.1 мг/м3

IR microturbines

0.06 мг/м3

Capstonemicroturbines

0.03 мг/м3

На практике, очень немногие свалки используют процесс предварительной обработки газа, даже если уровень силоксанов превышает рекомендуемый производителями уровень. Полигонные операторы часто предпочитают очистку камер двигателя вместо использования технологической очистки газа. Использование предварительной обработки газа может уменьшить эксплуатационные расходы [6].

Сжигание – это широко распространенный способ уничтожения ТБО. Сжигание бытового мусора, помимо снижения объема и массы, позволяет получать дополнительные энергетические ресурсы, которые могут быть использованы для централизованного отопления и производства электроэнергии. В последние годы в Европе увеличилось количество получаемой энергии из отходов на мусоросжигательных заводах.

В Великобритании в настоящее время работают 25 муниципальных установок для сжигания отходов с рекуперацией энергии, однако их показатели в теории и практики различаются. В 2009 – 2010 годах в Великобритании около 49% бытовых отходов были утилизированы на полигонах отходов, что на 15% меньше по сравнению с 2005 – 2006 годами [7]. Это снижение отходов, отправляемых на свалку связано, прежде всего с полигонной директивой ЕС [8]. В 2010 г., в Великобритании на 73 заводах было разрешено сжигание, 18 из которых заводы по переработке ТБО [7]. По состоянию на май 2013 г. 32 заводам разрешалось сжигать ТБО и дополнительно 100 потенциальных заводов в стадии планирования и обсуждения [7]. Большинство из этих предлагаемых заводов останутся в планировании в течение многих лет или в конечном счете будут отменены в результате негативных мнений со стороны  экологов и жителей близ лежащих поселений. Возникают протесты из-за проблем со здоровьем, рисками связанными с выбросами, визуального воздействие, шума, движения транспорта. Однако, мусоросжигательные заводы в Европе сегодня работают под строгим требованиям в отношении выбросов и современные технологии радикально уменьшили вредные выбросы по сравнению с теми которые производились в начале 1990 годов [7]. При определенных условиях сжигание отходов может уменьшить выбросы парниковых газов. Исследования также показали, что риски для здоровья в результате сжигания отходов в пять раз ниже, чем от свалок [7].

В соответствии со статьей 12.2 Директивы по сжиганию отходов, операторы мусоросжигательного оборудования обязаны предоставлять общедоступный ежегодный доклад о функционировании и мониторинге их завода в агентство по окружающей среде Великобритании. Согласно этим отчетам по состоянию на май 2013 г., есть 25 эксплуатируемых мусоросжигательных заводов для получения энергии из ТБО в Великобритании [7]. Их мощности в диапазоне от 29 000 до 750 000 тонн ТБО в год (тонн в год). 23 используют технологию подвижной колосниковой решетки, 1 работает по технологии барабанной вращающейся печи и 1 использует сжигание в кипящем слое (Таблица 5).

Таблица 5– Сжигание ТБО с выроботкой энергии на заводах в Великобритании. Исключены заводы работающие на газу [7]

Название

Емкость тыс. тонн в год

МВт эл.
емкость

 

МВт эл
экспортированные

МВт т
сгенерированные

МВтт
экспорт

Годовая водообеспеченность %

Технология

Allington EfW Facility

580

34,5

22,0

0

0

73

кипящий слой

Bolton Thermal Recovery Facility

140

10

6,6

0

0

78

подвижная колосниковая решетка

Integra North Energy Recovery

102

8

94

решетка

Dudley EfW

105

7,4

6,5

94

решетка

Edmonton

750

40

-

85

решетка

Integra South West Recovery Facility

210

14

14,6

94

решетка

Newhaven

19,5

39

решетка

Integra South East Recovery Facility

210

14

12,7

96

решетка

Material Recovery and Energv Centre

52

0,5

48

решетка

Stoke on Trent EfW

210

14,2

12,0

0

0

88

решетка

Tyseley Energy Recovery Facility

350

27

0

0

92

решетка

Wolverhampton EfW Facility

110

8

5,5

0

91

решетка

Newlincs

56

3

23

3

0,33

90

барабанная вращающаяся печь

KIRKLEES Energy from Waste Facility

150

9,5

8,9

0

0

89

решетка

Sheffield Energy Recovery Facility

225

19

14,6

60

13

86

решетка

Eastcroft EfW facility

160

20

87

решетка

Isle of man EfW facility

65

7

86

решетка

Waste gas technology Ltd

30

1,7

0,8

0

0

74

решетка

SELCHP

420

35

0

0

93

решетка

TEES VALLEY Ltd

375

29

0

0

58

решетка

Energy Recovery Plant

29

7

-

-

90

решетка

Lakeside EfW

400

37

0

решетка

La Colette Waste to Energy Facility

105

2,6

0

0

решетка

Riverside Resource Recovery

670

72,7

65,5

0

0

решетка

Coventry and Solihull WtE Plant

315

17,7

12,6

16

85

решетка

Отметим, что сжигание можно разделить на два вида: непосредственное сжигание, при котором получается только тепло и энергия, и пиролиз, при котором образуется жидкое и газообразное топливо. Процесс газификации схож с процессом пиролиза. Отличие в том, что газификация происходит с немного уменьшенным количеством кислорода, и ее считают сравнительно более чистой альтернативой сжигания.

Например, в Испании пиролиз используется для отходов упаковки или, как в некоторых европейских странах их принято обозначать, пластика. В Испании образуется около 3 млн. тонн в год отходов упаковки, из них 30 % – это отходы содержащие пластмассу и металл [9]. В некоторых странах Евросоюза и, в том числе, Испании раздельный сбор отходов упаковки осуществляют с помощью контейнеров трех цветов: синий − для бумаги и картона, зеленым − для стекла и пластмасс, желтый − для коробок из-под сока и металлических упаковок.

В Испании около 75 % (675 000 тонн) пластмассовых и металлических упаковок собираются в желтые контейнеры. Затем они транспортируются на мусоросжигательные заводы. Там их разделяют на фракции (стальные банки, коробки из-под сока, алюминиевые банки и различные пластмассы), которые потом отправляются на переработку на соответствующие предприятия. Однако, значительное количество поступивших материалов не могут быть классифицированы или разделены, они забраковываются. На испанских заводах по сортировке пластика забракованная фракция составляет в среднем 35 % от общего количества обрабатываемых отходов.

В Евросоюзе образуется около 80 млн. тонн в год отходов упаковки [9]. Более 6 млн. тонн в год отходов не пригодны для переработки, и они направляются на мусоросжигательные заводы. По законодательству ЕС должно  перерабатываться 55–80 % от веса отходов упаковки. В ЕС около 34 % отходов пластика сжигаются на заводах с получением тепла и электроэнергии, а 24 % – перерабатывается [9]. Пиролиз перспективен для утилизации тех отходов пластика, которые выбраковываются на заводах по сортировке отходов.

Для пищевых и других видов органических отходов в европейских странах используется метод анаэробной переработки с утилизацией выделившегося биогаза. Схема завода по анаэробной переработке отходов представлена на рисунке 3. Расчеты сделаны на основе обработки 100 кг исходной смеси [10].

Технология анаэробного сбраживания плюс компостирования в настоящее время работает на заводе в Барселоне (Испания) [10]. В технологической цепочке четыре основных этапа: этап предварительной обработки, анаэробное сбраживание, компостирование и очистка компоста (рис. 3).

Рисунок 3 – Схема завода по анаэробной переработке отходов [10]

Примечания: 1. Показанные значения соответствуют характеристикам входных материалов на каждом этапе. Расчеты выполнены для 100 кг обработанной исходной смеси. Также представлена характеристика отходов после стадии предварительной обработки. Сплошная линия соответствует твердым отходам, пунктирная линия – потокам жидкости. (*) Осадки, попадающие в периметр завода, способствуют пополнению фильтрата. 2. Сокращения: ОФТБО – органическая фракция твердых бытовых отходов; СВ – сухое вещество; БВ – беззольное вещество.

Этап предварительной обработки разработан, чтобы сконцентрировать органические вещества до биологической очистки и для удаления инертных материалов. Стадия предварительной обработки предназначена для удаления инертного материала и сосредоточения органического вещества перед биологической обработкой. Процесс анаэробного сбраживания основан на технологии DRANCO (Сухое анаэробное компостирование, Бельгия). Это сухой термофильный процесс при температуре 50 – 55 °С. Для рециркуляции перерабатываемого материала (брожения) предусмотрен реактор смешения. Время выдержки – 22 дня, объем реактора составляет 1700 м3. Процесс разложения при сбраживании осуществлялся в две стадии: разложение в аэрируемых туннелях и фаза отверждения в свернутых слоях.

Таким образом, работе представлен обзор передового мирового опыта в сфере обращения с твердыми бытовыми отходами.


Библиографический список
  1. Джексон К. «Мусорная» политика ЕС: инструменты контроля // Твердые бытовые отходы. 2013. №1. С. 54–54.
  2. Тихоцкая И.С. Япония: Инновационный подход к управлению ТБО // Твердые бытовые отходы. 2013. №6. С. 52-57.
  3. Zhang X., Matsuto T. Assessment of internal condition of waste in a roofed landfill // Waste Management. 2013. V 33. P. 102–108.
  4. Отчет EPA 430-D-11–003 Проект: Глобальные антропогенные выбросы парниковых газов (кроме CO2): 1990–2030. Управление по охране окружающей среды США (U. S. EPA), 2011. Режим доступа: http://www.epa.gov/climatechange/economics/international.html.
  5. Волынкина Е.П. Cвалочный метан с американских полигонов: извлечение и использование // Твердые бытовые отходы. 2010. № 4. С. 66–70.
  6. Sevimoglu O., Tansel B. Effect of persistent compounds in landfill gas on engine performance during energy recovery: A case study // Waste management. 2013. V. 33. P. 74–80.
  7. Nixon J.D., Wright D.G., Dey P.K., Ghosh S.K., Davies P.A. A comparative assessment of waste incinerators in the UK // Waste Management, 2013, V. 33. P. 2234–2244
  8. Council Directive (EC), DIRECTIVE 1999/31/EC of 26 April 1999, L 182/1. Official Journal of the European Communities.
  9. Adrados A., De Marco I., Lopez-Urionabarrenechea A. et al. Pyrolysis behavior of different type of materials contained in the rejects of packaging waste sorting plants // Waste Management. 2013. V. 33. P. 52–59.
  10. Pognani M., Barrena R., Font  X., Sánchez A. A complete mass balance of a complex combined anaerobic/aerobic municipal source-separated waste treatment plant // Waste Management. 2012. V. 32. P. 799–805.


Все статьи автора «maestro»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: