CC BY
134
УДК 661.152
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СЕПАРАЦИИ БИОРАЗЛАГАЕМОЙ ФРАКЦИИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Борисова Оксана Николаевна, преподаватель, [email protected],
Шубов Лазарь Яковлевич, доктор технических наук, профессор, [email protected],
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва.
Research of laws of gravitational separation of biodecomposed components of a firm household waste is conducted. The author developed the effective way and the device for gravitational separation of technogenic raw materials in which distinction of character and speed of movement of components in the water dividing environment under the influence of gravity and resistance is used. Technological parameters of process of gravitational separation and the basic influencing factors are investigated: The speed of the material in the process and removing the light fraction, velocity of horizontal and vertical flow of water and their effect on the kinetics of extraction fraction of the food, the dependence of the results of separation from the place of the material in the device (for the design of the separator) the influence of mineral components to extract foodfractions.
Проведено исследование закономерностей гравитационной сепарации
биоразлагаемых компонентов твердых бытовых отходов. Разработан эффективный
способ и аппарат для гравитационной сепарации техногенного сырья, в котором
использовано различие характера и скорости движения компонентов в водной
разделительной среде под действием сил тяжести и сопротивления. Исследованы
технологические параметры процесса гравитационной сепарации и основные влияющие
факторы: скорость подачи материала в процесс и удаления легкой фракции, скорости
горизонтального и вертикального потока воды и их влияние на кинетику извлечения
пищевой фракции, зависимость результатов сепарации от места подачи материала в
аппарат (требования к конструкции сепаратора), влияние минеральных компонентов на
извлечение пищевой фракции.
Keywords: foodfraction, gravitational separation, processing of FHW
Ключевые слова: пищевая фракция, гравитационная сепарация, переработка ТБО
Комплексное управление твердыми бытовыми отходами (ТБО) включает технологические операции их сбора, удаления, сортировки, переработки и захоронения, системно связанные между собой. В то же время сегодня каждый элемент системы существует как бы сам по себе.
Биоразлагаемые отходы (пищевые и растительные остатки и т.п.) концентрируются в двух видах коммунальных отходов: в твердых бытовых отходах (ТБО, образуются в жилищах) и в отходах кухонь и предприятий общественного питания.
Коммунальные отходы по содержанию в них пищевой фракции (25-35%) можно рассматривать как мощный сырьевой источник для получения специфических продуктов, пригодных для использования в сельском хозяйстве, животноводстве и других отраслях.
Можно отметить четыре основных направления использования пищевых и растительных отходов: переработка в компост (биотермическая аэробная ферментация), переработка в биогумус (вермикомпостирование - ускоренное компостирование биоразлагаемых органических отходов с помощью популяции дождевого червя «Старатель», компостного дождевого червя), переработка в корм для скота, переработка в строительные материалы.
В России значительная часть пищевых и растительных отходов попадает в ТБО и вывозится на захоронение или сжигание. Например, в Москве при годовом количестве образующихся ТБО около 4 млн т на долю пищевой фракции приходится до 1 млн т. Попадая в мусоросжигательную печь, пищевая фракция существенно снижает калорийный потенциал сжигаемых отходов и увеличивает выход недожога; попадая на объекты захоронения, биоразлагаемые отходы увеличивают неконтролируемый выход биогаза, относящегося к парниковым. Работы по извлечению из ТБО пищевой фракции, а также по селективному сбору пищевых отходов в различных источниках образования до настоящего времени в России не проводятся, хотя актуальность их очевидна.
Для утилизации биоразлагаемых органических отходов в сельском хозяйстве или животноводстве требуется их обязательное глубокое обогащение, поскольку даже фракция селективного сбора пищевых и растительных отходов содержит до 10% посторонних примесей (стекло, керамика, пластмассы, металлы, кожа, резина и др.). Универсальная технология очистки пищевой фракции от примесей должна быть рассчитана на вовлечение в переработку наиболее сложного сырьевого объекта - ТБО и концентрацию пищевой фракции в самостоятельном продукте, пригодном для хранения, транспортировки и дальнейшего использования либо переработки.
Базовой основой разработки технологии глубокой очистки пищевых отходов от механических примесей являются исследования, проведенные в ВИВРе и развитые в РГУТиС, в соответствии с которыми пищевая фракция ТБО концентрируется в нижнем продукте грохочения (класс -70 ^ -100 мм) - после извлечения из исходных ТБО значительной части легких компонентов, черных и цветных металлов, волокнистых
компонентов. Содержание пищевых и растительных отходов в нижнем продукте грохочения, независимо от размера отверстия грохота (в пределах 70 ^ 100 мм) составляет 60-65%. Для утилизации такого продукта необходимо решение технической задачи удаления из него механических примесей, сведя к минимуму потери пищевой фракции.
Наиболее перспективна утилизация биоразлагаемых отходов в сельском хозяйстве и животноводстве, особенно в направлении переработки в весьма ценный продукт -биогумус. Как сырье для вермикомпостирования биоразлагаемая фракция требует тщательной очистки от механических примесей и переработки в высококачественный продукт, удобный для хранения, транспортировки и подачи в процесс вермикомпостирования. Одновременно технология сортировки и переработки биоразлагаемой фракции, будучи универсальной, должна способствовать сохранению в новом продукте основных элементов питания (жир, протеин, клетчатка), поскольку этот продукт может быть получен не из ТБО, а из селективно собранных пищевых и растительных отходов, что делает предпочтительным его использование в качестве корма для скота.
Содержание пищевых и растительных отходов в классе -70 мм (-100) мм хвостов сортировки исходных ТБО составляет 60-65%. Основные механические примеси - стекло (12-15%), кости (около 2,5%), пластмассы (1-3%), макулатура (1-2%), камни (0,8%), черные и цветные металлы (по 0,2%), кожа и резина (до 0,2%), текстиль (0,2-0,4%), дерево; до 15% примесей представлено прочими компонентами и так называемым отсевом (класс -20 мм, состоящий на 30% из биоразлагаемых компонентов).
В патентной и технической литературе нет сведений о технологиях тонкой сепарации подобных сложных поликомпонентных отходов. В 1973 году итальянская фирма Sorain Cechini запатентовала способ получения сухого гранулированного корма из пищевой части ТБО, оставляя в секрете детали и особенности технологии. Способ был реализован на двух мусороперерабатывающих заводах в Риме. Технология включает операции грохочения, магнитной сепарации, операции отделения бумаги и текстиля, промывочную операцию (отмывка земли и мелких частиц), гравитационную сепарацию в водной среде (отделение тяжелых компонентов - стекла, камней, металлов и др.), операцию отжима для удаления воды, операцию автоклавной пропарки (в течение 1,5 часов при температуре 140оС и давлении 304 кПа), сушки (до 8% влаги) и доводочного грохочения (отделение порошкообразных пищевых отходов от легких непищевых материалов с дополнительным использованием потока воздуха), измельчение, смешивание с добавками и гранулирование.
Практика заводов в Риме показала, что нельзя выделять из потока ТБО пищевую фракцию для использования в качестве корма (зафиксированы случаи отравления крупного рогатого скота). Основным направлением утилизации биоразлагаемой фракции, выделенной из ТБО, является вермикомпостирование, а выделенной из селективно собранных пищевых отходов - использование в качестве корма или компоста. Независимо от развития практики селективного сбора пищевых отходов, значительная часть их попадает в ТБО.
При оптимизации системы управления биоразлагаемой фракцией ТБО в качестве критерия оптимальности целесообразно использовать степень ее утилизации (количество продукта, выделенного для вторичного использования, в процентах от общего количества биоразлагаемой фракции). В качестве критериев оптимизации сепарационного процесса биоразлагаемой фракции, исходя из задач процесса (максимально удалить механические примеси при минимальных потерях пищевой фракции), наиболее приемлемы технологические критерии, представляющие собой комбинацию основных параметров обогащения: а (содержание в исходном), у (выход продукта), 8 (извлечение) и в
(содержание в продукте сортировки), связанные зависимостью уР = а8.
Сепарация любых поликомпонентных смесей базируется на использовании различий в физико-механических (и физико-химических) свойствах разделяемых компонентов.
Подлежащий сепарации материал крупностью -100 (-70) мм содержит
разноплотные и разнопрочные компоненты, что предопределяет выбор соответствующих технологий.
При изыскании методов очистки фракции ТБО крупностью -100 (-70) мм от примесей с целью концентрации в самостоятельном продукте пищевых компонентов испытана аэросепарация в горизонтальном и вертикальном потоке воздуха. Для направленного регулирования физических свойств разделяемых компонентов использована сушка материала (от исходного значения влажности до воздушно-сухого состояния).
Опыты показали, что изменение свойств компонентов после сушки не обеспечивает удовлетворительных результатов их разделения в потоке воздуха. Некоторое разделение достигается, если высушенный материал подвергнуть дроблению до 2-3 мм - в этом случае в легкую фракцию аэросепарации извлекается до 70% пищевых отходов, но дальнейшее обогащение легкой фракции с целью повышения содержания пищевой
фракции крайне затруднено (если вообще возможно), так как при этом возникают все сложности разделения тонких классов крупности.
В ходе поисковых исследований принципиально установлено, что для отделения пищевых отходов от основного количества примесей целесообразно использовать водную среду. Существующие конструкции гравитационных сепараторов для мокрого обогащения руд и угля не пригодны для ТБО, так как рассчитаны на разделение мелких зерен. В ходе работы изучено несколько конструкций нестандартных аппаратов, в которых использовано различие характера и скорости движения компонентов в водной разделительной среде под действием сил тяжести и сопротивления. В итоге была создана стендовая лабораторно-укрупненная установка прямоточного гравитационного сепаратора с механизированной загрузкой и выгрузкой материала (рис. 1).
Рис. 1. Стендовая
укрупненно-лабораторная установка прямоточного гравитационного сепаратора для извлечения пищевой части из тяжелой фракции ТБО с механизированной выгрузкой: 1 — рама конвейера; 2
— привод конвейера; 3 — конвейер; 4 — приемник легкой фракции; 5 — гравитационный сепаратор; 6 — элеватор; 7 — привод элеватора; 8 — приемник хвостов; 9 — ковш элеватора
Загрузка исходного материала в зону сепарации и быстрое удаление легкой фракции из этой зоны осуществляется с помощью ленточного конвейера с рифлями (скорость конвейера регулируется), удаление тяжелой фракции из донной части сепаратора - с помощью элеватора.
В процессе используются два потока воды - вертикальный (обеспечивает кратковременную поддержку на поверхности воды легко тонущих компонентов пищевой
фракции и тем самым способствует повышению извлечения) и горизонтальный (повышает эффективность разгрузки легкой фракции и производительность сепаратора).
Исследованы технологические параметры процесса гравитационной сепарации и основные влияющие факторы: скорость подачи материала в процесс и удаления легкой фракции, скорости горизонтального и вертикального потока воды и их влияние на кинетику извлечения пищевой фракции, зависимость результатов сепарации от места подачи материала в аппарат (требования к конструкции сепаратора), влияние минеральных компонентов на извлечение пищевой фракции.
Горизонтальный поток воды сам по себе не обеспечивает эффективное удаление из аппарата пищевой фракции и ее извлечение в концентрат не превышает 16-17% даже при заведомо высокой скорости потока 2,2 м/с. Исходя из этого, гравитационный сепаратор должен иметь устройство, обеспечивающее быстрое удаление всплывшей фракции из зоны сепарации. Технически это решено использованием питающего конвейера с рифлями: использование для разгрузки всплывшей легкой фракции нижней ветви конвейера с рифлями обеспечивает в оптимальных условиях извлечение пищевой фракции более 90%.
Установлено, что при использовании конвейера с рифлями оптимальная скорость горизонтального потока воды составляет 0,5-0,8 м/с; при большей скорости снижается конечное извлечение (часть пищевых компонентов попадает в тяжелую фракцию вследствие турбулентных завихрений пульпы при ударе горизонтального потока в рифли конвейера), при меньшей - снижается скорость гравитации.
Оптимальная скорость вертикального потока - 0,7 м/с, при этом обеспечивается прирост извлечения пищевой фракции на 5-6% и конечное извлечение увеличивается до 91-93%.
В оптимальных условиях возрастает скорость процесса и максимальное извлечение достигается уже за 30 секунд (рис. 2), причем за первые 15 с извлекается до 50-55% материала. Предварительная сушка материала не способствует повышению извлечения пищевой фракции.
90 80
1
р 60
^ 50
40
30 20 10
0 0,035 0,05 0,1
Скорость конвейера, м/сек
Рис. 2. Влияние скорости конвейера на кинетику извлечения пищевой части в легкую фракцию при постоянной скорости горизонтального потока 0,8 м/сек 1,2 и 3 - извлечение соответственно за 15, 30 и 60 сек
Решающее влияние на кинетику процесса и конечное извлечение оказывает скорость загрузочно-разгрузочного конвейера: если при скорости 0,035-0,05 м/с в концентрат за 15с извлекается 15-20% пищевых отходов, то при скорости 0,1 м/с извлечение повышается до 70% (данные экспериментов с «чистой» пищевой фракцией).
Время нахождения всплывшей фракции на поверхности пульпы оказывает существенное влияние на технологические показатели процесса - извлечение и содержание - и зависит, при прочих равных условиях, от точки загрузки материала в аппарат (т.е. от расстояния, пройденного легкой фракцией от места загрузки до места разгрузки). Оптимальна загрузка материала конвейером приблизительно в середину разделительной камеры (расстояние от оси барабана до разгрузочного конца 225 мм). Если расстояние транспортировки всплывшей фракции возрастает с 225 мм до 450 мм, извлечение пищевых отходов снижается на 5-10%; если это расстояние уменьшается с 225 мм до 105 мм - извлечение снижается на 2-3% (рис. 3).
Рис. 3. Влияние положения загрузочно-разгрузочного конвейера и режимов обогащения на результаты гравитационной сепарации тяжелой фракции ТБО.
Скорость горизонтального потока воды, м/сек: 1 — 0,5; 2 — 0,8. Постоянные условия: скорость вертикального потока воды 0, 7 м/сек
Как видно из рис. 3, конечные показатели гравитационной сепарации при принятых режимах существенно зависят от положения загрузочно-разгрузочного конвейера (т.е. от времени нахождения всплывшей фракции на поверхности пульпы). Так, расстоянию от оси барабана конвейера до места разгрузки 225 мм соответствует извлечение пищевой части 93,5% (концентрат 1); при увеличении этого расстояния в два раза - до 450 мм извлечение снижается до 84%, но содержание возрастает до 87,2 % (концентрат 2). Основные примеси в этих концентратах приведены в табл. 1.
Таблица 1
Состав концентратов гравитационного обогащения
Состав Содержание, %
Концентрат 1 Концентрат 2
Текстиль 1,95 1,59
Пластмасса 1,11 1,26
Черные металлы 1,02 0,11
Цветные металлы 0,49 0,66
Кожа, резина 0,58 0,52
При гравитационном обогащении весьма важно получить концентрат с минимальным загрязнением его примесями (при максимально возможном извлечении пищевой части) (рис. 4).
Угор - 0,5 м/сек, Л/верт = 0,7 м/сек
Угор — 0,8 м/сек, Уверт = 0,7 м/сек
й
&
Время, сек
Время, сек
Рис. 4. Влияние расстояния транспортировки легкой фракции по поверхности пульпы к месту разгрузки на содержание в ней пищевой части.
Расстояние транспортировки, мм: 1 — 450; 2 — 225; 3 — 105
Из рисунка 4 видно, что наиболее богатым по содержанию пищевой фракции (около 87%) является концентрат, полученный при скорости горизонтального и
вертикального потока воды соответственно 0,5 м/с и 0,7 м/с и положении конвейера, обеспечивающем максимальное время пребывания всплывшей фракции на поверхности пульпы. Однако в этих условиях не достигается максимальное извлечение пищевой части (оно снижается с 91-93% до 84%); в условиях максимального извлечения содержание пищевой фракции находится на уровне 84-85% (рис. 3).
Таким образом, в результате обогащения фракции крупностью -100 (-70) мм в прямоточном гравитационном сепараторе содержание пищевой части в концентрате повышается по сравнению с исходным питанием на 10-13%, составляя максимум 85,5-87,2%. Гравитация позволяет полностью удалять стекло, камни и кости и в значительной степени резину, кожу, черные и цветные металлы. Из оставшихся в концентрате примесей: макулатура, дерево, кожа, резина, металлы, текстиль, пластмасса -вредными являются четыре последние. Их содержание невелико (резина - менее 0,5%, черные металлы - 0,1-1,0%, цветные металлы - 0,4-0,7%, текстиль - 1,5-2,0%, пластмасса - 1,0—1,3%), тем не менее, очистка от них пищевой части обязательна.
Гравитация в соответствии с исследованиями является первой обогатительной операцией по извлечению пищевой части из ТБО. Материал, поступающий на гравитационную сепарацию, должен пройти промывочное грохочение для отмывки от загрязнений и удаления мелких включений.
В результате проведенных исследований была установлена возможность глубокой очистки от примесей грубого гравитационного концентрата с использованием естественных и искусственно усиленных различий в прочностных свойствах разделяемых компонентов; на инновационную технологию оформляется заявка на патент «Способ обогащения и переработки твердых коммунальных отходов». Изобретение относится к области переработки твердых коммунальных отходов и может быть использовано в установках для их комплексной переработки и обогащения в городах Российской Федерации.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности обогащения и переработки твердых коммунальных отходов, снижение расходов на переработку ТБО, обеспечение непрерывного режима работы.
Окончательный выбор параметров гравитационного обогащения должен производиться с учетом определения рационального соотношения двух важнейших показателей процесса - извлечения пищевой фракции и ее содержания в концентрате.
Для научно обоснованного ответа на вопрос, какой комбинации показателей следует отдать предпочтение, необходимо изыскание и исследование методов доводки
концентрата. Если эти методы позволят освободиться от примесей в концентрате с меньшей потерей извлечения основного ценного компонента - пищевой фракции, то предпочтение следует отдать этим методам. В противном случае положение загрузочноразгрузочного конвейера при гравитационной сепарации должно обеспечивать максимально возможное время пребывания всплывшей фракции на поверхности пульпы.
Гравитационная сепарация в водной среде позволяет полностью удалить тяжелые минеральные компоненты - стекло, камни, керамику, а также кости и в значительной степени резину, кожу, металлы. Выход хвостов от операции гравитации (в зависимости от режима) - 18,7-28,4%.
Дальнейшее глубокое обогащение грубого гравитационного концентрата должно обеспечить удаление всех оставшихся примесей - макулатуры, дерева, кожи, резины, пластмассы, металлов, текстиля, отличающихся незначительным различием в плотности (металлы в концентрате, например, скрепки могут появиться как включения в макулатурообразующие компоненты).
Литература
1. Петруков О.П., Шубов Л.Я., Гаев Ф.Ф. Стратегия и тактика решения проблемы твердых бытовых отходов в Московской области // Научные и технические аспекты охраны окружающей среды, ВИНИТИ, 2008. № 1. 123 с.
2. Шубов Л.Я., Борисова О.Н. Повышение комплексного использования твердых коммунальных отходов (утилизация биоразлагаемой фракции) // Современные проблемы туризма и сервиса (часть II). С. 6-11.
3. Шубов Л.Я., Ставровский М.Е., Шехирев Д.В. Технологии отходов (Технологические процессы в сервисе): Учебник. М.: ГОУВПО «МГУС», 2006. 410 с.
4. Шубов Л.Я., Доронкина И.Г., Борисова О.Н. Оптимизация процессов управления твердыми бытовыми отходами как единой технологической и экономической системы // Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса. 2009. № 4 (11), С. 23-33.
5. Шубов Л.Я., Борисова О.Н., Доронкина И.Г. Анализ ситуации в сфере обращения с
ТБО в Московском регионе: планы и реалии // ТБО (твердые бытовые отходы). Научно-
практический журнал. 2010. № 1. С. 16—21. № 2. С. 27-35.
УДК 661.15
