XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разделение и переработка мусора: новая стратегия

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Соловьев Б.Е. 1

---

1МАОУ "Гимназия №2" ГОЩ МО

Кочеткова Л.Н. 1

---

1МАОУ "Гимназия №2" ГОЩ

Работа в формате PDF

317.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мусорные полигоны и их выбросы - огромная проблема для жителей близлежащих городов и для экологии в целом. На старых свалках за долгие годы скопились сотни тысяч, если не миллионы, тонн мусора. Под расширение свалок вырубают леса, т.к. поля обычно имеют площадь не больше 10-20 га. До недавнего времени действовавший Сабуровский полигон (недалеко от города Фрязино) занимает 59 га. Он был закрыт в 2020 году. С одной стороны, стоило закрыть полигон, ведь были даже пожары (2010, 2014, 2017 годы), но с другой, закрытие этой свалки не решит проблему, а лишь перенесёт её, расширят или откроют другую свалку. На данный момент отходы с него перенаправляются на комплекс по переработке ТКО (твёрдых коммунальных отходов) «Север». Там перерабатывается около 50% поступающих отходов. Аналогичная проблема существует и в других городах, к которым подползают свалки. Например, полигон «Лесная» в Серпуховском районе находится в прямой видимости от жилых домов.

Актуальность проблемызаключается в том, что свалки уже заметно воздействуют на жизнь людей. Гипотеза заключается в том, что существуют не только экологически полезные, но и экономически выгодные способы переработки мусора. Цель работы состоит в разработке таких способов (требуемой инфраструктуры, технологии переработки), описании их действия.

Предметом исследования стали продукты и эффекты работы мусороперерабатывающего комбината. В соответствии с проблемой исследования и для реализации поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

-исследовать соответствующую литературу по переработке мусора в разных странах;

-произвести расчёты энергетических затрат на переработку единицы отходов разного состава;

-произвести расчёты энергии, получаемой при сжигании свалочного газа и неперерабатываемых отходов;

-рассчитать возможную прибыль и эффект переработки при максимизации денежной и экологической отдачи.

Методы решения задач:

Теоретический метод: анализ практики по переработке отходов и борьбе с загрязнением окружающей среды.

Статистический метод обработки литературы по возможным действиям.

Математический метод расчета потребляемой мощности, а также получаемой от сжигания части отходов.

Способы и средства переработки отходов

2.1 Переработка мусора - один из путей спасения от экологического кризиса

Проблема переработки отходов сейчас остро стоит во всём мире. В европейских странах мусор для этого сортируют и перерабатывают. Но несортированный мусор перерабатывать труднее, поэтому его часто сжигают. При использовании качественных фильтров дыма выбросы ядовитых веществ в воздух практически отсутствуют. Отработанный фильтр и шлак будут захоронены. Через долгие годы оболочка разрушится, и зола и шлак отравят почву, т.к. состоят из множества металлов, их соединений, фенолформальдегидов и прочих токсичных составляющих. Позже такой же материал, что был сожжён, будет выработан в другом месте, с затратой на производство и соответствующими выбросами.

Предлагаемые способы переработки

В России ежегодно производится около 6,2 млрд. тонн всех видов отходов. Количество ТКО составляет 63 млн. т/год (в среднем 445 кг на человека). Твёрдые бытовые отходы подвергаются переработке только на 3-4 %, промышленные - на 35 %. В основном мусор свозится на свалки — их в России около 11 тысяч. В них захоронено около 82 млрд. тонн отходов. ^[2]

Биоразлагаемые отходы следует учитывать только те, что привезены недавно. Они разлагаются на свалке и подлежат переработке, будучи сравнительно «свежими». Пищевые отходы следует отделять до вывоза. Из них можно сделать удобрения, но это имеет смысл только в сельской местности. Большинство из них будут разложены на свалках с образованием газа. Пластмассы подлежат переплавке. Вторичный пластик (если он не был отсортирован заранее) нельзя идеально очистить, поэтому его нельзя использовать для пищевых продуктов. Металлы также подлежат переплавке. На мой взгляд, из отходов людьми сдаётся в специализированные пункты большая часть металла, поэтому его доля на свалке меньше заявленной (таблица 1).

Стеклотару лучше сортировать до вывоза. До свалки зачастую доезжают осколки, которые можно очистить от примесей (грязи и красок) для переплавки. Бутылки часто используемых форм и/или марок выгоднее собирать на очистку, но в последние годы этим не занимаются. Другие категории мусора можно разделить на натуральные и синтетические. Изделия известного состава (одежда, батарейки и т.д.) перерабатываются, остальное (предметы неизвестного состава, микрочастицы веществ) разделяются химически. Сортировка мусора до вывоза в нашем районе слабо развита. Недостаточная информированность населения, нежелание некоторых людей сортировать отходы, нехватка пунктов раздельного сбора. Эти факторы препятствуют «ресайклу» (ресайкл/recycle - вторичное использование материалов).

Технологические процессы

Органика под действием бактерий разлагается на метан (50-87%), углекислый газ(10-40%), воду, аммиак, водород, сероводород, нелетучую неорганику, летучие органические вещества. Огромные количества свалочного газа на многих свалках улавливаются и… сжигаются! Без какого-либо использования выделившейся энергии. Предполагается закачка этой смеси в газгольдеры (очень большие, т.к. газа выделяется много) и отстаивание. Самые лёгкие газы (водород, метан, аммиак) останутся сверху. Более тяжелые соединения (сероводород, углекислый газ, спирты останутся внизу). Самые тяжелые соединения конденсируются. Это эфиры, альдегиды, кетоны, спирты и т.д. Их проще сжечь, т.к. веществ очень много, разделить их не получится.

Лёгкие газы перекачиваются в другую ёмкость, где аммиак легко улавливается кислотой и идёт на хим. реакции и/или удобрения. Разделение газов требуется для большей энергоотдачи от сжигания (при сжигании смеси очень много энергии уйдёт на нагрев СО₂). Новые и старые отходы несколько различаются по составу. Их следует сортировать на разных конвейерах. Предметы, загрязнённые пищевыми отходами, трудно перерабатывать. Можно оставить их сгнить. Пластмассы и металлы проще изымать из старых отходов, когда пищевые загрязнители разложились, и материал легче отсортировать. Сортируются они вручную, надо также отметить, что разные виды пластика и металла трудно разделить автоматически. В пунктах сортировки отходы разделяются людьми в спецзащите. К тому же, летучие вещества из старых отходов выветрились. Для начала, мусор валово загружается на конвейер. На первом этапе отделяют крупные предметы (например, мебель). Затем лента проходит через сортировочный цех, где множество работников отбирают «свой» материал, собирая каждый в отдельный бак. После этого отходы поступают на более тонкую сортировку или переработку. Пластик делится на полиэтилен (пакеты, крышки), полипропилен (трубы, пакеты) и ПЭТ(бутылки). Пластик измельчается, промывается, затем плавится, и формуются изделия или вытягивается волокно. Из ПЭТа, например, делается полиэстер. Металлические предметы также сортируются по составу, их проще сдать, т.к. металла в мусоре не очень много и строить цеха нерентабельно. Медные изделия принимаются по 380 р/кг. Много цветмета находится в электронике и батарейках. Алюминий в больших количествах содержится в упаковках tetra-pak, там он наслоен с картоном и ЭВА. Алюминий отделяется от упаковки, очищается и переплавляется. Картон, пропитанный пластиком, отжимается и может использоваться для создания новых упаковок или для других целей. Стеклотару сортируют по цветам. Осколки переплавляются и отливаются нужные изделия. Производство стекла относительно просто перестроить и существует не так много форм готовых изделий. Также бутылки известных (есть этикетка или понятно по форме) марок могут принимать на заводах-изготовителях, тогда тара промывается со спец. средствами. Остальные материалы переработке не подлежат, их следует сжечь под фильтром, а золу и отработанный фильтр переработать химически. Остаток состоит из соединений кремния, мышьяка, галогенов и металлов. На смесь действуют смесью азотной и серной кислот. Это выжигает остатки органики, растворяет металлы. В осадке остаются нерастворимые соли и песок. Эта смесь разделяется электролизом расплава. Раствор металлов (точнее, нитратов) постепенно осаждают разными кислотами: серной, соляной, фосфорной и т.д. Из осадков аналогично выделяют металлы. Этот этап нерентабелен (выход и чистота продуктов сомнительны), но необходим, т.к. огарок не разлагается, но концентрирует в себе токсичные соединения. Его нельзя выбросить или захоронить. Не зная технологий производства цветных металлов, предположу, что оно схоже с переработкой получаемой золы, и в некоторых регионах возможна отправка её на соответствующие заводы. Также возможно получение драгметаллов из электроники (это может дать большой денежный выход по весу), но почти вся такая электроника отбирается из мусора и продается на разбор.

На закрытых полигонах весь мусор во избежание пожаров засыпан грунтом (рис.1), перед сортировкой надо разделить его. Грунт со свалки имеет огромную массу и загрязнён жидкими отходами (нелетучей органикой, схожей по составу с нефтепродуктами, водой с растворами очень разных веществ). Грунт нельзя оставлять или отправлять в использование. Его следует отмыть от жидких отходов, затем очищенный от химии песок надо просеять, чтобы отделить от твёрдого мусора. Такой песок может использоваться как стройматериал. Свалочный концентрат - крайне токсичная жидкость сложного состава (вода, соли, продукты гниения органики). Вытекший концентрат отравляет огромные территории, поэтому под полигоном расстилается защитный слой. Обычно он образуется после дождя: вода стекает вниз, захватывая другие жидкости и все растворимые вещества. Под свалкой следует сделать дренажную систему с насосом для откачки концентрата. Воду из смеси выпаривают под фильтром, затем остаток сжигают (остаток в основном состоит из жидкой органики и растворов в ней). Огарок обрабатывается химически (описано в абзаце выше).

Рис.1 Строение мусорного полигона

2.4 Энергетические затраты и отдача.

Расчёт мощности, получаемой при использовании биотоплива.

Биотопливо - масса растительного и животного происхождения, способная к гниению. К нему относятся пищевые отходы, навоз, листва, дерево, продукты его переработки (бумага, картон).

Из 1 кг сухого вещества биомассы выделяется до 300-500 литров газа с содержанием метана 50-87%, остальное - углекислый газ и примеси водорода, сероводорода, аммиака. На практике из 1 кг сухого вещества получается 250-300 л метана ^[7].

Следовательно, из 1 кг пищевых отходов выделяется 300 л·30%= 90 л метана.

Известно табличное значение плотности метана 0,7168 кг/м³ .

Масса метана из 1 кг мусора: 90 л 0,7168 кг= 0,09 м³ 0,7168 кг/м³ = =0,064512 кг~0,0645 кг.

Метан – энергоёмкое по удельной теплоте сгорания вещество, удельная теплота сгорания топлива составляет 4,5·10⁷ Дж/кг [11].

Q–тепловая энергия. Q=q m, где: q–удельная теплота сгорания; m – масса топлива.

q=4,5 * 10⁷ теплота сгорания метана.

m=0,0645 кг – масса метана из 1 кг отходов.

Q₁=0,0645·4,5·10⁷ Дж =0,29·10⁷=2,9 МДж – количество теплоты, получаемое из 1 кг биотоплива.

Как мы видим из расчётов, в метан переходит лишь 6,5% массы. Оставшиеся 93,5% составляют СО₂, NH₃, неорганические добавки (в основном причисляются к другим категориям, до 15%) и нелетучая органика: биомасса бактерий, несгнившая часть и свалочный концентрат. Т.к. их содержание и состав трудно рассчитать, будем считать, что сжигаем все пищевые отходы (в эту сумму будет входить метан, концентрат и сухой остаток). Кроме того, масса способных к гниению отходов в разы меньше массы ранее сгнивших. Потребуется подвод энергии извне или сжигание части полезных фракций.

Таблица 1.Химический состав отхода

Теплота сгорания углеводов составляет примерно 15 МДж/кг. Пищевые отходы на 75-90% состоят из воды, 10-15% углеводов, по 3-5% жира и белка. Их масса сжигается (косвенно, переходя в газ и концентрат). Угольная пыль рассеивается. Часть полимерных материалов может разлагаться или не подлежать переработке, но их доля минимальна. Целлюлоза технически является углеводом, все углеводы близки по элементарному составу. Хлопок - по сути тоже целлюлоза, но с другой структурой. Вычислим тепловую энергию сжигания компонентов из 1 кг мусора

q_угл.=15 МДж/кг

q_жиров=39 МДж/кг

q_белков=15 МДж/кг

Q_угл=1,5*10⁷*(0.337*0.012+0.05+0.014)=1 566 660 Дж

Q_жиров=3.9*10⁷*(0.337*0.05)=657 150 Дж

Q_белков=1.5*10⁷*(0.337*0.05)=252 750 Дж

Q_общ=2 476 560 Дж

Теперь посчитаем энергозатраты на переработку основных вторичных компонентов по формуле: Q=qm; m=1 кг*µ

Полиэтилентерефталат(ПЭТ): с =1000 Дж/(кг*К)

µ=0.012 (доля вещества в общей массе); t_пл=260^оС, t_нач=20^оС

Q=0.012*(1000*(260-20)) =2880 Дж

Аналогичный расчёт для других компонентов:

Полиэтилен: Q=1550*110*0.0133=2273 Дж

Поливинилхлорид (ПВХ): Q=880*160*0.0085=1200 Дж

Полипропилен: Q=1900*140*0.012=3192 Дж

Стекло: Q=670*1280*0.056=48025 Дж

Медь: Q=0.0027*(433*(1085-20) +210000) =1812,1 Дж

Алюминий: Q=0.0405*(1037(660-20) +390000) =42674 Дж

Цинк: Q=0.0018*(400(420-20) +122000) =507,6 Дж

Q_общ=2880+2273+1200+3192+48025+1812+42674+508=102056 Дж

Как мы видим из расчётов, расход энергии на переплавку материалов в разы меньше энергии, получаемой от сжигания биомассы. Однако существуют сопоставимые расходы на очистку и помывку сырья, а также на обслуживание помещений. Излишки энергии используются на переработку ранее накопившегося мусора, т.к. гниющие составляющие в нём разложились, и энергию из него извлечь не получится.

Сейчас набирают популярность альтернативные источники энергии: ветер и солнечный свет. При желании можно использовать и их. В большинстве регионов это себя окупит.

Энергия ветра. Оптимальные параметры для ветрогенератора следующие: высота около 10 м, длина лопастей – 6 м. На установке должны присутствовать: поворотный механизм, анемометр и управляющая электроника, трансформатор и аккумулятор. На рисунке 2 обозначены наиболее крупные детали ветроэнергоустановки:

Рис.2 Устройство ветрогенератора

Расчёт мощности ветрогенератора:

Мощность работы ветрогенератора^[12] :

N= , где: - плотность воздуха при нормальном давлении, S- обдуваемая площадь, - средняя скорость ветра.

Известны следующие характеристики:

Длина лопастей L= 6 м,

Скорость ветра =2,3 м/с,

=1,29 кг/м³

КПД ветрогенератора η = 0,4^[12]

Обдуваемая площадь S= πL² =3,14•6² =113,0976~113,1 м²

Мощность ветра N= 1,29х113,1х3³/2=1969,64 Вт.

Мощность ветрогенератора Р = 1969,64·0,4=788 Вт на 1 ветряк

В масштабах крупного производства мощность одного ветряка, конечно, будет мала, но, учитывая размеры территории, занимаемой свалкой, можно разместить множество ветряков по её периметру. Кроме того, ветер в нашей местности дует практически постоянно, и он будет относительно надёжным источником энергии.

Расчёт мощности солнечной батареи:

Рис 3. Карта потока солнечного излучения, приходящегося на м² за один день на территории России ^[13]

Удельная мощность на м^{2 [12]}

N=η·R, где: η - КПД солнечной батареи; R - поток солнечного излучения, приходящийся на м² в день.

η=21% - КПД солнечной батареи (для кремниевых батарей, наиболее часто используемых)^[12].

R=2,4 ^[13].

Поскольку 1 кВт·ч =3,6·10⁶Дж, а 1 день = 86400 с, то расчет потока солнечного излучения указывает на следующую величину:

R=2,4 =100 =100Вт. С учетом выше указанных величин, получили значение мощности: N=100·0,21=21 Вт. Следовательно, 21 Вт – это та энергия, которую дает поверхность 1 м² солнечных батарей.

Хоть альтернативные источники энергии способны производить высокую мощность, их установка дорога, поэтому они не получили повсеместного распространения.

2.5 Экономические расчёты

Поскольку готовые изделия бывают очень разных форм, размеров и составов (рис.2), то лучше отливать подобный материал (пластиковые гранулы, металлическая чушка) в простые формы и отправлять на другие заводы. Производство стекла легко перестроить под нужную форму изделий. Поэтому будет выгоднее изготавливать, например, бутылки для лакокрасочных материалов.

Рис. 4 Основные обозначения материалов, пригодных для переработки

Бутылочный пластик ПЭТ, (1; PET)

Цена 25-40 р/кг. Наименьшая цена в далёких от центра регионах.

Сжигание неперерабатываемого материала из 1 кг мусора даст:

2 476 500/1000(260-240)=12.13 (кг ПЭТ)

32.13*30=363.9 руб.

Полиэтилен (2; HDPE): 1583 руб.

Поливинилхлорид, ПВХ (3; PVC): 2190.77 руб.

Полипропилен (5; РР):1160 руб

Медь: 4366.2 руб.

Цинк присутствует в основном в виде солей, энергию его извлечения рассчитать сложно. Наиболее проста и популярна переработка ПЭТ, поэтому рассмотрим обустройство подобного предприятия ^[11].

Первичные вложения:

Переработка ПЭТ является наиболее простой, имеет широкий рынок сбыта. На том же оборудовании можно перерабатывать другие виды пластика. Переработка металлов сложна, иногда требует хим. обработки. На первых порах она необязательна.

Открытие организации 20 000 руб.

Лицензии и согласования 250 000 руб.

Транспорт 1 800 000 руб.

Персонал: 8-10 человек на линию сортировки, 2-4 грузчика, 4-6 человек в цех переработки пластика, бухгалтер, менеджер по сбыту продукции, персонал техобслуживания газгольдера, конвейера и прочих устройств 1-2 чел. Итого минимум 15 человек. Допустим з/п=30 000 руб/мес. Начальный фонд з/п 450 000 руб.

Ежемесячные расходы 130 000 руб/мес.

Расходные материалы 150 000 руб/мес

Железобетонный газгольдер для разделения газов с насосом и трубами ~1.5 млн руб

Укомплектованная линия по переработке ПЭТ 4.5 млн руб.

Пуско-наладочные работы 60 000-70 000 руб

Итого: 8,79 млн руб. Расходы указаны с учётом инфляции.

В среднем, один работник отделяет 120 кг ПЭТ за час. 8 часов в день, 20 дней в месяц, Работа по сортировке ПЭТ составляет 3-5% от общей полезной работы. Значит, всего сортируется мусора за месяц:

120*4*8*20/0.05=1 536 000 кг; Из него будет:

1536000*0.012*30=552960 руб. (ПЭТ)

1536000*0.0133*35=715008 руб.(ПЭНД)

1536000*0.0085*40=522240 руб. (ПВХ)

1536000*0.0027*380=1 575936 руб. (медь)

1536000*0.0405*50=3 110 400 руб. (алюминий)

1536000*0.056*33=2 838528 руб. (стекло)

Σ=12 495 472 руб. (суммарная выручка в первые месяцы)

При металлах стоят крупные значения доходов. Но им сопутствуют трудности извлечения (разбор электроники, сжигание неразлагаемых фольгированных упаковок).

Как мы можем видеть, производство окупается в первый год, энергии сжигания органики с многократным избытком хватает на переработку остальных компонентов (не считая хим. обработки).

Ситуация с отходами в Щёлковском районе

3.1 Возможность использования альтернативных источников энергии.

Поскольку полигон «Сабурово» в Щёлковском районе недавно закрыт, то свалочный газ с него скоро перестанет выделяться, и потребуется подвод энергии из других источников. В нашем регионе в умеренных масштабах возможно использование множества альтернативных источников. Были рассмотрены варианты использования солнечных батарей и ветрогенераторов, но также возможно использование более «экзотических» источников (например, геотермальная энергия).

3.2 Сбор вторсырья в нашем районе

В 2019 году в Подмосковье^[10] установили 465 контейнеров для перерабатываемого мусора: макулатура, стекло, пластик, металл. Из них 34 было в Щёлковском районе осенью 2019 года (подтверждающих источников на данный момент нет). Контейнеры, за которыми я наблюдал, вывозятся раз в неделю и не всегда заполняются к этому моменту. Металла в них нет (его, возможно, собирают малообеспеченные люди), макулатуры тоже. Люди часто выносят их в мусорные баки. Но, тем не менее, кампании по сбору вторсырья собирают много макулатуры и пластика.

3.3 Отношение населения к «ресайклу»

Вышесказанное говорит о плохой информированности населения о раздельном сборе мусора. Мною были опрошены 30 человек. Все опрошенные (знакомые разных возрастов, соседи и одноклассники) относятся к переработке мусора положительно. У 57% респондентов недалеко от домов находятся пункты раздельного сбора. Но лишь 42% относят свой мусор на такие пункты (таблица 2).

Таблица 2. Результаты опроса

Заключение

Система раздельного сбора и переработки мусора в нашем городе (и в целом стране) развиты слабо, потому что население об этом мало задумывается. Однако существует достаточно инфраструктуры по сбору и переработке вторсырья. На мой взгляд, стоит лучше информировать людей о простоте и важности раздельного сбора, а компании, занимающиеся вывозом мусора, должны создавать условия для более удобной сортировки мусора жителями. Это будет способствовать улучшению экологической ситуации в стране, и в целом можно будет надеяться на спасение окружающей среды и природных ресурсов России.

Список использованных источников и литературы

in-schelkovo.ru/novosti/ekologia/pobeda-nad-svalkami-i-poligonami-realna

Wikipedia.org_твёрдыебытовыеотходы_

Sibur.ru

promplace.ru

thermalinfo.ru

marketing.rbc.ru

lkmportal.com

tehtab.ru

in-schelkovo.ru/novosti/zhkh

schelkovo.ru

«Переплавка пластиковых бутылок» Стрельцова А.Д., Аманбаева Е.В. 2014

https://world-weather.ru

Ural.net