II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

РАЗРАБОТКА ОРИГИНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ УТИЛИЗАЦИИ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чалов М.С. 1

---

1

Атаян Л.А. 1

---

1

Работа в формате PDF

156.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Аннотация

Проблема утилизации бытового мусора на сегодняшний день является одной из наиболее острых проблем в мире. С увеличением числа населения земли растет и количество образующегося мусора. Неконтролируемое накопление отходов способно привести нас к глобальной катастрофе.

Сейчас только лишь в России насчитывается несколько десятков тысяч переполненных мусорных свалок. Только внедрение программы по вторичной переработке и утилизации отходов сможет решить эту актуальную проблему.

Проблема полного уничтожения или частичной утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) — актуальна, прежде всего, с точки зрения отрицательного воздействия на окружающую среду. Твердые бытовые отходы - это богатый источник вторичных ресурсов (в том числе черных, цветных, редких и рассеянных металлов), а также "бесплатный" энергоноситель, так как бытовой мусор - возобновляемое углеродсодержащее энергетическое сырье для топливной энергетики. Однако для любого города и населенного пункта проблема удаления или обезвреживания твердых бытовых отходов всегда является в первую очередь проблемой экологической. Весьма важно, чтобы процессы утилизации бытовых отходов не нарушали экологическую безопасность города, нормальное функционирование городского хозяйства с точки зрения общественной санитарии и гигиены, а также условия жизни населения в целом.

В нашей исследовательской работе предлагается к рассмотрению применение низкотемпературного пиролиза в аспекте переработки твердых бытовых отходов.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка используемой литературы.

Актуальность исследования вызвана тем, что рост современных городов, развитие промышленности и сельского хозяйства приводят к ухудшению экологических условий проживания людей, особенно в крупных городах, в которых происходит наиболее интенсивное накопление твердых бытовых отходов (ТБО).

Жизнедеятельность человека связана с появлением огромного количества разнообразных отходов. Резкий рост потребления в последние десятилетия привел к существенному увеличению объемов образования твердых бытовых отходов (ТБО).

Твердые бытовые отходы (ТБО) засоряют и захламляют окружающий нас природный ландшафт. Кроме того, они могут являться источником поступления вредных химических, биологических и биохимических препаратов в окружающую природную среду. Это создает определенную угрозу здоровью и жизни населения.

С другой стороны, ТБО следует рассматривать как техногенные образования, которые нужно промышленно-значимо характеризовать содержанием в них ряда ценных практически бесплатных компонентов, черных, цветных металлов и других материалов, пригодных для использования в металлургии, стройиндустрии, машиностроении, в химической индустрии, энергетике, в сельском и лесном хозяйстве.

Решение проблемы переработки ТБО приобретает за последние годы первостепенное значение. Кроме того, в связи с грядущим постепенным истощением природных источников сырья (нефти, каменного угля, руд для цветных и черных металлов) для всех отраслей народного хозяйства приобретает особую значимость полное использование всех видов бытовых отходов.

В условиях рыночной экономики перед исследователями и промышленниками, перед муниципальными властями выдвигается необходимость обеспечить максимально возможную безвредность технологических процессов и полное использование всех отходов производства и жизнедеятельности.

Сложность решения всех этих проблем утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) объясняется отсутствием их четкой научно-обоснованной классификации, необходимостью применения сложного капиталоемкого оборудования и отсутствием экономической обоснованности каждого конкретного решения.

В нашей исследовательской работе предлагается к рассмотрению применение низкотемпературного пиролиза в аспекте переработки твердых бытовых отходов.

Цель исследовательской работы - разработать системный комплекс технических решений, обеспечивающих авторскую реконструктивную адаптацию утилизации ТБО.

Для реализации в работе цели были поставлены следующие задачи:

- изучить проблему твердых бытовых отходов (ТБО) в современном мире;

- выяснить способы и проблемы утилизации бытовых отходов;

- предложить возможные пути решения проблемы.

Сложившаяся в Российской Федерации ситуация в области образования, использования, обезвреживания, хранения и захоронения отходов ведет к опасному загрязнению окружающей среды, нерациональному использованию природных ресурсов, значительному экономическому ущербу и представляет реальную угрозу здоровью современных и будущих поколений страны.

Практически для всех субъектов Российской Федерации одна из основных задач в области охраны окружающей среды – решение проблем обезвреживания и переработки бытовых и промышленных отходов.

На территории страны в отвалах и хранилищах накоплено около 80 млрд. тонн только твердых отходов. Особую тревогу вызывает накопление в отвалах и свалках токсичных, в том числе содержащих канцерогенные вещества, отходов.

В России доля городского населения составляет 73%, что несколько ниже уровня европейских стран. Но, несмотря на это, концентрация ТБО в крупных городах России сейчас резко возросла, особенно в городах с численностью населения от 500 тыс. и выше человек. Объем отходов все увеличивается, а территориальные возможности для их утилизации и переработки уменьшаются. Доставка отходов от мест их образования до пунктов утилизации требует все больше времени и средств. В России необходимо совершенствовать организацию процесса утилизации городских отходов. [1, С. 45]

Сейчас отходы просто собираются для захоронения на полигонах, а это ведет к отчуждению свободных территорий в пригородных районах и ограничивает использование городских территорий для строительства жилых зданий. Также совместное захоронение различных видов отходов может вести к образованию опасных соединений.

Сбор отходов часто является наиболее дорогостоящим компонентом всего процесса утилизации и уничтожения отходов. Поэтому правильная организация сбора отходов может сэкономить значительные средства. Существующая в России система сбора ТБО должна оставаться стандартизованной с точки зрения экономичности. В то же время дополнительное планирование необходимо для того, чтобы решить новые проблемы. Иногда средства для решения этих новых проблем можно изыскать, вводя дифференцированную плату за сбор мусора.

К твердым бытовым отходам, учитываемым нормой накопления, относятся отходы, образующиеся в жилых зданиях, включая отходы от текущего ремонта квартир, отходов продуктов сгорания в устройствах местного отопления, опавшие листья, собираемые с дворовых территорий и крупногабаритные предметы домашнего обихода.

Состав и объем бытовых отходов чрезвычайно разнообразны и зависят не только от страны и местности, но и от времени года и от многих других факторов. Бумага и картон составляют наиболее значительную часть ТБО (до 40% в развитых странах). Вторая по величине категория в России – это так называемые органические, в т.ч. пищевые, отходы; металл, стекло и пластик составляют по 7-9% от общего количества отходов. Примерно по 4% приходится на дерево, текстиль, резину и т.д. Количество муниципальных отходов в России увеличивается, а их состав, особенно в крупных городах приближается к составу ТБО в западных странах с относительно большой долей бумажных отходов и пластика.

В настоящий момент наиболее распространенный способ уничтожения ТБО - это полигоны. Однако этот простой способ сопровождают следующие проблемы:

Рис.1- Примерный состав ТБО в РФ. [5]

- Чрезмерно быстрое переполнение существующих полигонов из-за большого объема и малой плотности размещаемых отходов. Без предварительного уплотнения средняя плотность ТБО составляет 200-220 кг/м3, которая достигает всего лишь 450-500 кг/м3 после уплотнения с использованием мусоровозов.

- Отрицательные факторы для окружающей среды: заражение подземных вод выщелачиваемыми продуктами, выделение неприятного запаха, разброс отходов ветром, самопроизвольное возгорание полигонов, бесконтрольное образование метана и неэстетичный вид являются только частью проблем, беспокоящих экологов и вызывающих серьезные возражения со стороны местных властей.

- Отсутствие площадей, пригодных для размещения полигонов на удобном расстоянии от крупных городов. Расширение городов вытесняет полигоны на все более дальнее расстояние. Данный фактор в сочетании с ростом цен на землю увеличивает стоимость транспортировки ТБО.

Но нужно оговориться, что на сегодняшний день абсолютно понятно, что невозможно полное устранение полигонов. Несмотря на использование самых современных технологий, наше общество всегда будет нуждаться в их использовании для уничтожения не преобразуемых фракций: зола, строительный мусор.

Существуют принципы комплексного управления отходами: [2, С. 114]

1. ТБО состоят из различных компонентов, к которым должны применяться различные подходы.

2. Комбинация технологий и мероприятий, включая сокращение количества отходов, вторичную переработку и компостирование, захоронение на полигонах и мусоросжигание, – должна использоваться для утилизации тех или иных специфических компонентов ТБО. Все технологии и мероприятия разрабатываются в комплексе, дополняя друг друга.

3. Участие городских властей, а также всех групп населения (то есть тех, кто собственно "производит" мусор) – необходимый элемент любой программы по решению проблемы ТБО.

План мероприятий по комплексному управлению отходами основывается на изучении потоков отходов, оценке имеющихся вариантов и включает осуществление небольших «экспериментальных» проектов, позволяющих собрать информацию и приобрести опыт.

Рассмотрим вопрос вторичной переработки ТБО. Довольно многие компоненты ТБО могут быть переработаны в полезные продукты.

Стекло обычно перерабатывают путем измельчения и переплавки. Стеклянный бой низкого качества после измельчения используется в качестве наполнителя для строительных материалов (например, т.н. «глассфальт»). Во многих российских городах существуют предприятия по отмыванию и повторному использованию стеклянной посуды.

Стальные и алюминиевые банки переплавляются с целью получения соответствующего металла. При этом выплавка алюминия из баночек для прохладительных напитков требует только 5% от энергии, необходимой для изготовления того же количества алюминия из руды.

Бумажные отходы различного типа уже многие десятки лет применяют наряду с обычной целлюлозой для изготовления пульпы – сырья для бумаги. Из смешанных или низкокачественных бумажных отходов можно изготовлять туалетную или оберточную бумагу и картон. К сожалению, в России только в небольших масштабах присутствует технология производства высококачественной бумаги из высококачественных отходов.

Пластик - переработка пластика в целом – более дорогой и сложный процесс. Из некоторых видов пластика можно получать высококачественный пластик тех же свойств, другие (например, ПВХ) после переработки могут быть использованы только как строительные материалы. В России переработка пластика не производится.

На диаграмме приведена типичная стоимость переработки вторсырья.

Рис.2- Стоимость переработки вторсырья [5]

Рассмотрим методы переработки ТБО в России. [4, С. 32]

Компостирование; мусоросжигание; брикетирование; захоронение; пиролиз.

Компостирование – это технология переработки отходов, основанная на их естественном биоразложении. Наиболее широко компостирование применяется для переработки отходов органического –происхождения, таких как листья, ветки и скошенная трава. Существуют технологии компостирования пищевых отходов, а также неразделенного потока ТБО.

В России компостирование с помощью компостных ям часто применяется населением в индивидуальных домах или на садовых участках. В то же время процесс компостирования может быть централизован и проводиться на специальных площадках. Существует несколько технологий компостирования, различающихся по стоимости и сложности. Более простые и дешевые технологии требуют больше места и процесс компостирования занимает больше времени, как следует из приводимой классификации технологий компостирования.

Конечным продуктом компостирования является компост, который может найти различные применения в городском и сельском хозяйстве.

Мусоросжигание – это наиболее сложный и «высокотехнологичный» вариант обращения с отходами. Сжигание требует предварительной обработки ТБО. При разделении из ТБО стараются удалить крупные объекты, металлы и дополнительно их измельчить. Для того, чтобы уменьшить вредные выбросы из отходов, также извлекают батарейки и аккумуляторы, пластик, листья. Сжигание неразделенного потока отходов в настоящее время считается чрезвычайно опасным. Таким образом, мусоросжигание может быть только одним из компонентов комплексной программы утилизации. [3, С. 92]

Экологические воздействия завода по переработке мусора в основном связаны с загрязнением воздуха, в первую очередь – мелкодисперсной пылью, оксидами серы и азота, фуранами и диоксинами. Серьезные проблемы возникают также с захоронением золы от мусоросжигания, которая по весу составляет до 30% от исходного веса отходов и которая в силу своих физических и химических свойств не может быть захоронена на обычных свалках. Для безопасного захоронения золы применяются специальные хранилища с контролем и очисткой стоков.

В России эксплуатируется два типа мусороперерабатывающих заводов: одни производят компост из мусора, а другие его сжигают. Первые производят компост, который сильно загрязнен тяжелыми металлами, а очистка от них - чрезвычайно дорогое удовольствие. Что касается мусоросжигательных заводов, то они небезопасны в экологическом плане: имеют высокотоксичные газообразные выбросы и зольный остаток. Эти заводы комплектуются дорогим импортным оборудованием. Его стоимость составляет порядка 100—120 млн. долларов плюс стоимость строительных и монтажных работ. Так что анализ показывает, что обе технологии имеют серьезные экологические и экономические изъяны.

Брикетирование ТБО - сравнительно новый метод в решении проблемы их удаления. Брикеты, широко применяющиеся уже в течение многих лет в промышленности и сельском хозяйстве, представляют собой одну из простейших и наиболее экономичных форм упаковки. Уплотнение, присущее этому процессу, способствует уменьшению занимаемого объема, и как следствие, приводит к экономии при хранении и транспортировке. Преимущественно в промышленности и сельском хозяйстве брикетирование используют для прессования и упаковки гомогенных материалов, например: хлопка, сена, бумажного сырья и тряпья. При работе с такими материалами технология довольно стандартна и проста, так как эти материалы однородны по составу, размеру и форме. Существенным плюсом метода брикетирования является способ уменьшения количества мусора, подлежащего брикетированию, путем предварительной (до 50%) отсортировки твердых бытовых отходов. Отсортировываются полезные фракции, вторичное сырье.

Пиролиз - особый интерес представляет технология утилизации ТБО методом пиролиза. Это одно из наиболее эффективных решений по переработке мусора, так как позволяет получать тепловую энергию, максимально извлекать из отходов ценные компоненты и уменьшать антропогенное давление на окружающую среду. При сжигании 1 тонны шин, пластиковых бутылок, полиэтиленовых пакетов в атмосферу поступает около 200 кг токсичных летучих соединений и около 100 кг сажи. Переработка отработанных шин, пластиковых бутылок, полиэтиленовых пакетов методом низкотемпературного пиролиза в разы уменьшает выбросы в атмосферу, продукты распада вышеперечисленных продуктов используются как энергоносители и сырье для некоторых видов производства.

В современной практике методом пиролиза перерабатывают следующие виды мусора: Отходы деревообрабатывающей промышленности; медицинские отходы; канализационный шлам; отходы полимеров; отработанные автопокрышки и прочие резинотехнические изделия; горючие детали автомобилей, подлежащих утилизации (пластик, текстиль, резина); отходы электроники; коммунальный и бытовой мусор.

Переработке по технологии пиролиза подвергаются отходы нефтепродуктов, технология подходит для утилизации отходов АПК, текстильной, целлюлозно-бумажной и прочих отраслей промышленности, выпускающих продукцию из органического сырья природного или искусственного происхождения.

Глава 2 Разработка комплекса технических решений, обеспечивающих авторскую реконструктивную адаптацию утилизации ТБО.

Одной из главных проблем современности является утилизация и переработка ТБО – твёрдых бытовых отходов. До сих пор сложно говорить о кардинальных изменениях в этой области в нашей стране. Что же касается европейских стран, то там давно пришли к выводу, что ресурсный потенциал ТБО нужно не уничтожать, а использовать. К сожалению, на сегодняшний день наиболее распространенным способом «обезвреживания» отходов в нашей стране остается их захоронение на полигонах или не обустроенных свалках. Эксплуатация свалок, не имеющих элементарных природоохранных сооружений (гидрозащитных экранов, систем сбора и контроля фильтрата и т. д.), с социальной точки зрения противопоказана, с природоохранной - опасна.

В связи с этим мы хотим реализовать проект утилизации ТБО одним из наиболее эффективных способов, каковым является пиролиз – разложение продукта под воздействием высокой или низкой температуры без доступа воздуха. Утилизация отходов путем пиролиза соответствует европейским стандартам и во всем мире считается экологически чистым способом.

Модули пиролиза предназначены для переработки огромного спектра бытовых отходов, как например б/у автомобильных покрышек, отходов резина-технических изделий, пластиковых отходов и пр.

Главные продукты переработки — это жидкий продукт пиролиза (пиролизное масло), углеродистый остаток (пироуглерод) и пиролизные газы.

Полученные компоненты в дальнейшем могут использоваться для отопления и в различных транспортных сферах.

Технология пиролиза заключается в необратимом химическом изменении мусора под действием температуры без доступа кислорода. По степени температурного воздействия на вещество мусора пиролиз как процесс условно разделяется на низкотемпературный (до 250°С) и высокотемпературный (свыше 900° С).

Способ утилизации ТБО методом пиролиза по-другому можно назвать газификацией мусора. Технологическая схема этого способа предполагает получение из биологической составляющей (биомассы) отходов вторичного синтез-газа с целью использования его для получения пара, горячей воды, электроэнергии, горюче-смазочных материалов, топлива.

Рис.3 – установка пиролиза

Под низкотемпературным пиролизом подразумевается процесс термического разложения органических отходов при температуре не более

350 °C. Метод характеризуется высоким выходом жидких и твердых продуктов, в частности смол, органических кислот, ароматических соединений и полукокса. Первичная смола и полукокс применяются в качестве топлива.

Существует несколько вариантов технологии низкотемпературного пиролиза:

- пиролиз органических отходов в вакууме;

- неполное сгорание с ограниченным доступом воздуха (при температуре порядка 760 °С);

- пиролиз с внедрением воздуха; пиролиз при температуре близкой к 850°С.

Для наглядности решения проблемы рассмотрим применение нами переработки бытовых отходов для производства альтернативного топлива на базе школьной лаборатории.

Наша экспериментальная установка переработки ТБО путем пиролиза состоит из трёх элементов: печи, холодильника и ёмкости для топлива. В печь мы кладём мусор (куски покрышки, пластик, полиэтилен) затем плотно закрываем крышкой к которой подсоединён змеевик холодильника. Нагреваем ёмкость с мусором до 250°С.

Мусор в процессе нагрева путем пиролиза окисляется и выделяется пиролизный газ который проходя через змеевик холодильника охлаждается и конденсируется. Из получаемых соединений углерода и водорода синтезируются молекулы горючего вещества.

Чем больше нагревается топливо с ограниченной подачей кислорода, тем больше газа вырабатывается. Высокий КПД, предположительно 80% и более.

То, что в процессе эксперимента выделяется горючее топливо подтверждено АО «Инспекторат Р» г. Волгоград, имеющей сертификат на проведение экспертизы.

На основании протокола испытаний №2997:

Информация о пробе: Темно –коричневая жидкость, получена способом пиролиза твердо бытовых отходов (полиэтиленовые пакеты, пластиковые бутылки, автомобильные шины). Количество пробы 0,1 л. Проба представлена после переработки ТБО в школьной лаборатории.

Таблица 1-Протокол исследования

Заключение экспертов: По результатам, полученным при определении вышеуказанных показателей качества можно сделать вывод о том, что, полученный продукт после дополнительной переработки может применяться как сырье для получения печного топлива и компонентов моторных топлив (автомобильных, судовых стационарных силовых установок). Так же жидкие продукты пиролиза могут применяться при производстве лакокрасочных материалов.

Предложенную проблему в рамках специального практического задания «Чистый город» мы попробовали решить в условиях школьной лаборатории.

Результаты данного исследования могут быть применены в реальной практике.

В заключении, можно констатировать, что главным направлением в сокращении выделения вредных веществ в окружающую среду при переработки ТБО является пиролиз.

Преимущество пиролиза по сравнению с непосредственным сжиганием отходов заключается, прежде всего, в его эффективности с точки зрения предотвращения загрязнения окружающей среды. С помощью пиролиза можно перерабатывать составляющие отходов, неподдающиеся утилизации, такие как автопокрышки, пластмассы, отработанные масла, отстойные вещества.

Хотелось бы так же отметить, что тема переработки ТБО не объятна. Проведя наше исследование в промышленном масштабе мы могли бы получить на самом деле альтернативное не дорогое топливо, что в условиях кризиса не маловажно.

1. Акимова Т.А., Хаскин Т.В. Экология: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ. -2013г.

2. Бобович Б.Б. и Девяткин В.В., «Переработка отходов производства и потребления», М.2011г.

3. Эскин Н. Б., Тугов А. Н., Изюмов М. А. Разработка и анализ различных технологий сжигания бытовых отходов. Сборник. Москва, 2013.

4. Экология городской среды: Учебное пособие / В.А. Хомич; М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010. – 240с.

5. Электронный ресурс: www.ecology.ru

18