Методи за третиране и оползотворяване на твърди битови отпадъци

Tретирането на твърдите битови отпадъци се свързва с прилагането на интегрирана система за тяхното ефективно управление и оползотворяване на енергийния им потенциал. Тя включва събиране, транспортиране, сортиране, обезвреждане, преработване и оползотворяване на отпадъците чрез рециклиране, депониране, биологично третиране, термично третиране и др.

В предишни броеве на списанието отделихме внимание на депонирането и биологичното третиране на твърди битови отпадъци. Обект на настоящата статия са методите за термично третиране, които включват тяхното директно изгаряне за производство на енергия или преработването им до течни или газообразни горива.

Термични методи за третиране на твърди отпадъци
Голямото разнообразие във вида и състава на отпадъците, както и характера и съдържанието на опасни вещества в тях, определя многообразието от методи и съоръжения за тяхното термично третиране. Общото за термичните процеси е провеждането им при температура над 300 °С и постигането на обезвреждане и оползотворяване на твърдите битови отпадъци до енергия и вторични суровини.

На термично третиране се подлагат смесени твърди отпадъци с различен състав и отделяните от тях чрез механично сортиране горивни компоненти, както и разделно събраните горими, но нерециклирани твърди отпадъци. Най-често използвани в практиката са методите изгаряне; пиролиза; газификация; комбинация на газификация и пиролиза. Макар и по-рядко приложение намират и хидротермичните и микровълнови технологии за третиране.

Изгаряне на отпадъци
При термичното третиране на битовите отпадъци с цел оползотворяване на енергията се прилагат два основни подхода: изгаряне без предварително сортиране по вид (освен отстраняването на по-обемистите отпадъци) и изгаряне на отделни фракции отпадъци с висока калоричност.

Несортираните битови отпадъци обикновено се изгарят в пещи при температура над 800 оС. Отделената при изгарянето енергия може да се използва за производство на електроенергия или за отопление. В много европейски градове има общински системи за отопление, които изцяло или частично използват отпадъци за гориво.

Изгарянето на сортирани отпадъци включва предварително сепариране на негоримата част от твърдите битови отпадъци (метали, стъкло и др.) и преработването на останалата част чрез сушене и брикетиране. По този начин калоричността нараства 2-3 пъти и намалява общия обем за термично третиране.

Получаваните брикети се транспортират до потребителите в индустрията – топлоелектрически централи, циментови заводи и др. Понастоящем за по-ефективно се смята изгарянето на брикетите на място, тъй като по този начин се избягва брикетирането и транспортирането им.

В практиката се използват различен тип пещи за изгаряне на отпадъците. За постигане на по-високи температури на горене понякога се комбинира изгаряне на отпадъци с други горива – въглища, течни горива или природен газ.

Директното изгаряне на отпадъци има някои съществени недостатъци като например неконтролируемото отделяне в атмосферата на вредни вещества. По време на процеса в димните газове се отделят редица органични съединения (алдехиди, феноли, диоксини), азотни и серни окиси, както и съединения на тежки метали.

Отделят се и значителни количества твърди частици. Независимо че за очистването на димните газове се прилагат различни методи и средства, директното изгаряне на отпадъци все повече се възприема като не особено ефективен начин за тяхното оползотворяване.

Пиролиза
Друг начин за извличане на енергийния потенциал от отпадъците е чрез пиролиза. Това е процес на разграждане на сложни химични съединения до по-прости субстанции чрез нагряване в отсъствие на кислород. Като резултат от отпадъците се получава твърд остатък – пепел и кокс; течни въглеводороди – пиролизно масло; вода, замърсена с органични вещества; горивен газ.

Получените продукти от процеса могат да се използват като енергийни източници и като суровини в промишлеността. Димните газове, получени в резултат на пиролизата, са слабо замърсени с летлива пепел и сажди и това позволява да отпадне допълнителното пречистване преди използването им за горене, производството на водна пара или за други цели.

Пиролизата се извършва в херметично затворен реактор, в който суровината се хомогенизира и разлага. Едни от най-често използваните видове са реакторите с кипящ слой. Сред причините за това е сравнително по-простото проектиране и изграждане в сравнение с други реактори.

Също така те осигуряват добър контакт между газа и твърдата част, добър пренос на топлина, добър температурен контрол и добри възможности за съхраняване на топлина. Приложение намират и реакторите с неподвижен слой, реактори с увличащ поток, реактори с циркулиращ кипящ слой, вакуум реактори, вихрови реактори и др. Характерна особеност на пиролизните реактори е високата степен на херметичност, като особено внимание се отделя на зареждащото устройство и на устройството за отстраняване на пиролизния остатък.

В зависимост от температурата в пиролизния реактор се различават три вида суха пиролиза (ниско-, средно- и високотемпературна). Нискотемпературната пиролиза протича в интервала от 450 до 550 оС и при нея се постига максимално отделяне на течни продукти и твърд остатък. Течните продукти съдържат около 70 - 80% вода и имат калоричност 2340 – 4660 kJ/kg.

Твърдият остатък – кокс или дървени въглища, е много близък до състава на въглищата. Среднотемпературната пиролиза протича при температура 550 - 800 оС. При нея количеството на газовете е по-високо, като същевременно специфичната им топлина на горене става по-ниска.

Високотемпературната пиролиза се провежда при температури в интервала от 800 оС до 1050 оС. При този процес отделянето на течни продукти и твърд остатък е минимално за сметка на голямото количество горивен газ, който е основна цел на високотемпературната пиролиза. При по-висока скорост на нагряване и по-висока крайна температура по-голямата част от отпадъците се превръщат в газообразни и течни продукти.

Газификация
Газификацията представлява частично изгаряне с цел получаване на газове, които могат да бъдат използвани като захранваща смес или като гориво. В практиката се използват различни процеси на газификация, като при всички тях се съблюдава поддържането в определени граници на параметрите на подаваните отпадъци (размер, консистенция).

Това често изисква специално предварително третиране на битовите отпадъци. За газификация се използват различен тип реактори: с флуидизиран слой, включително циклонен тип; въртящи пещи; реактори с пълнеж; с „летящо състояние”.

И пиролизата, и газификацията се различават от изгарянето по това, че могат да бъдат използвани за регенериране на химическата и енергийна стойност на отпадъка. Произвежданите химични продукти в много случаи могат да бъдат използвани като суровини за реализиране на други производствени процеси.

Плазмени технологии
В основата на разработването на плазмената технология стои преодоляването на някои от недостатъците на съществуващите системи за термично третиране на отпадъците. С нея могат да се преработват различни видове отпадъци при максимална защита на околната среда. Технологията е гъвкава спрямо потока отпадъци за преработка - няма изисквания към техния химически състав; отпадъците могат да не бъдат сортирани; могат да се преработват отпадъци в твърда, течна или газообразна форма, отделно или едновременно.

Съоръженията за плазменото третиране на отпадъците се състоят от пет основни компонента - захранваща система, плазмен реактор, система за пречистване на образуваните газове, система за управление и генератор на електроенергия. С помощта на захранваща система отпадъците се подават в плазмения реактор, където в резултат на високата температура и реакционната способност на йоните се извършва много бързо разграждане на отпадъците, като се образуват газове и течна фаза.

В основата на процеса е генерирането на постоянна електрическа дъга в плазмения факел, от която се пренася огромно количество енергия върху отпадъците, като по този начин се предизвиква молекулна дисоциация и необратимото им разграждане. Като резултат на изхода се получават синтез-газ – смес от водород и въглероден оксид, малки количества азот, въглероден диоксид, въглеводороди и подобен на обсидианта безвреден материал, който намира приложение в металургията, строителството, като абразивен материал и др.

Плазмените технологии в голяма степен се доближават до безотпадъчните, тъй като постъпилите на входа отпадъци се преобразуват в суровини за производство на крайни продукти или в крайни продукти. След отделяне на полезните газови компоненти като суровина за други синтези останалите компоненти могат да се използват в затворен цикъл, при което отпада необходимостта от комин.

Всички газообразни продукти, получени при третирането, след оползотворяване на енергийния им потенциал и пречистване могат да се отделят като емисии в атмосферата. Постигането на тази универсалност и пълен контрол върху процесите и образуваните вещества е позволило тези технологии да се приложат при преработването и на силно токсични отпадъци.

Хидротермични технологии
Хидротермичните методи се прилагат главно за болнични отпадъци, но могат да бъдат използвани и за третиране на битовите органични отпадъци. Технологията включва загряване на отпадъчния материал с пара в затворен контейнер при високо налягане.

Подготовката на материала изисква разделяне за премахване на неподходящия материал и раздробяване за намаляване на отделните парчета отпадък до приемливи размери.
При този тип третиране на отпадъците се получава добър резултат при унищожаване на инфекциозни организми, превенция на замърсяване на околната среда и избягване на вектори на заболявания.

Получаваният остатък обикновено е неопасен материал и може да се депонира с другите битови отпадъци. Процесът генерира и отпадъчна вода, която трябва да бъде внимателно и контролирано обезвредена. Големите хидротермични съоръжения се нуждаят от буферни резервоари и други компоненти, които се нуждаят от превенция и строг контрол.

Микровълнови инсталации
Микровълновите инсталации са компактни съоръжения за бързо и икономично третиране на отпадъци. Те също се използват предимно за болнични отпадъци, но могат да бъдат прилагани и за органични твърди битови отпадъци.

Облъчването с микро- и радиовълни включва третиране на отпадъците във високоенергийно електромагнитно поле, което провокира течността в отпадъка, както и течния клетъчен материал на микроорганизмите да осицилира с висока честота, да се загрява по-бързо и евентуално да причини разрушаване на всички инфекциозни компоненти на отпадъка.

Това става в затворени реактори при атмосферно налягане и температури под нормалната точка на кипене на водата. Отпадъкът преминава през подготвителен процес на отделяне на нежеланите компоненти, смилане, пулверизиране и уплътняване преди дезинфекцията. Генерираният обработен отпадък е с качества на битов и може да бъде депониран като такъв.

Тъй като технологията не включва използване на пара, отпадъчната вода е в малки количества и с подходяща преработка може да бъде използвана отново в системата.
Изборът на метод за третиране на твърдите битови отпадъци се определя от много фактори, които трябва да се отчитат комплексно въз основа на технико-икономическите и екологичните критерии за оптималност. Главната цел е постигането на опазване на околната среда, на човешкото здраве и осигуряване на рационално използване на природните ресурси.