Россия
УДК 50 Общие вопросы математических и естественных наук
В статье обобщены выводы д-ра техн. наук, проф. Луканина А.В. «Процессы и аппараты защиты литосферы от твердых промышленных и бытовых отходов». Рассмотрены виды и свойства твердых промышленных и бытовых отходов (ТП и БО), представляющих угрозу экологическому равновесию природы и в тоже время являющихся бесплатными видами сырья для многих отраслей промышленности и сельского хозяйства.
литосфера, твердые отходы, дробление, классификация, окускование, разделение, флотация, утилизация, пиролиз, сжигание, вторичный щебень.
Для большинства основных видов крупнотоннажных твердых отходов разработаны экономически целесообразные технологии их утилизации на основе традиционных приемов процессов и аппаратов химической технологии.
В учебном пособии изложены методы переработки твердых отходов, позволяющие узнать и овладеть этими методами. Механические способы подготовки включают измельчение, классификацию, дозирование, перемещение, смешение и укрупнение. Освещены вопросы обогащения твердых отходов при помощи гравитации и флотации. Рассмотрены физико-химические методы. Описаны методы термической переработки промышленных и бытовых отходов – газификация, пиролиз, огневые методы. Приведены примеры переработки хлорорганических отходов, кислых гудронов, металлсодержащих шламов, отходов газификации топлив, резинотехнических изделий, пластмасс, отходов горнодобывающей промышленности.
Книга предназначена для студентов технических вузов, обучающихся по направлениям подготовки 280700.62 «Техносферная безопасность» и 280202.65 «Инженерная защита окружающей среды». Профили подготовки: инженерная защита окружающей среды населенных мест, инженерная
защита окружающей среды промышленных предприятий и охрана природной среды и ресурсосбережение. Представленные материалы будут полезны инженерно-техническим работникам, аспирантам и преподавателям.
Особо хочется отметить оригинальный метод и оборудование для получения мелких фракций вторичного щебня. При разрушении жилых зданий, сооружений и строительных конструкций образуется большое количество отходов, в том числе бетонолома. Возникает необходимость в его переработке и использовании в качестве вторичного сырья для различных нужд народного хозяйства. Экологическая и экономическая целесообразность повторного использования отходов производства и потребления в качестве вторичного сырья доказана многолетней практикой во многих странах мира. В настоящее время из бетонолома получают и используют вторичный щебень фракций от 40 мм и выше, а мелкие фракции щебня товарного достоинства не производят, хотя потребность в них очень велика. Происходит это потому, что отсутствует оборудование, способное четко классифицировать мелкие фракции щебня (0-0,5 мм; 0,5-2,5 мм; 2,5-5 мм; 5-20 мм). Поэтому бетонолом, содержащий мелкие фракции, как правило, не используется и зачастую отправляется в отвал, увеличивая антропогенную нагрузку на полигоны захоронения, а это порядка 50% от общего количества бетонного лома.
Автором разработан новый способ четкого разделения мелких фракций вторичного щебня и устройство для его осуществления. Это аэрационно-вибрационный грохот. По результатам разработки был получен патент РФ на изобретение. Разработанная технологическая схема разделения включает помимо аэровиброгрохота дополнительные стадии разделения самых мелких фракций, которые представляют собой циклоны и рукавные фильтры. Также была разработана методика расчета вибрационно-аэрационного грохота.
Была произведена оценка областей применения мелких фракций щебня и выяснено, что в целом эти фракции целесообразно использовать при отсыпке дорог и съездов, укреплении слабых грунтов, благоустройстве территорий, в качестве наполнителя в бетоны и строительные смеси, что снижает себестоимость бетона примерно на 25%. При изучении и оценке областей применения мелких фракций щебня также были изучены физико-химические свойства полученного материала: насыпная плотность, угол естественного откоса, содержание зерен лещадной и угловатой формы, прочность при сжатии и прочность на износ и др.
Некондиционные бетонные и железобетонные изделия, конструкции, отслужившие свой срок, полученные при демонтаже строительных объектов, отходы производства строительных материалов после переработки превращаются в строительный щебень вторичного происхождения. Металлическая арматура идет в переплавку и используется повторно.
Для разделения измельченных твердых тел на фракции с зернами приблизительно одинаковой величины применяют грохочение, или ситовую классификацию [7]. Грохочение — наиболее универсальный способ классификации, применяемый для разделения материалов различной крупности (примерно от 250 до 1 мм). Аппараты, на которых производят грохочение, классифицируют по различным признакам следующим образом: в зависимости от способа действия – подвижные и неподвижные; в зависимости от формы решетки – плоские и барабанные; в зависимости от рода решетки – колосниковые и решетчатые [7].
Хотя процесс грохочения является универсальным способом классификации, однако он имеет некоторые недостатки:
- недостаточная четкость разделения материала на классы,
- большие габариты аппарата,
- сложность смены сит.
Использование таких процессов как воздушная сепарация и гидравлическая классификация сегодня применяется весьма широко [7]. При сравнении этих двух методов необходимо отметить, что воздушная сепарация более эффективна, поскольку сопротивление воздуха движению твердых частиц значительно меньше сопротивления воды, следовательно, частицы осаждаются в воздухе во много раз быстрее, чем в воде. Но использование данного способа при разделении щебня фракцией 0,5-20 мм невозможно, т.к. ее (а также гидравлическую классификацию) применяют для разделения частиц с размером менее 2-3 мм.
Преимущества разработанного автором вибрационно-аэрационного разделения щебня следующие:
- простота конструкции,
- высокое качество разделения материала,
- возможность полного разделения материала по фракциям.
Технологическая схема производства вторичного щебня
Общая схема производства вторичного щебня представлена на рис.1. Она состоит из следующих основных стадий [24, 25, 26]:
- Сбор отходов. Строительный мусор грузовым транспортом свозится на сортировочную площадку.
- Предварительная сортировка. Из завезенного материала отбирают крупногабаритные части железобетона, которые собирают по характеру материала в накопительные места хранения для дальнейшей переработки.
- Измельчение крупногабаритного железобетона. Крупногабаритный железобетон измельчается на части, удобные для последующего дробления, с помощью металлического шара («шар-баба»). Извлекается металлическая арматура. Измельченный бетон и металл разделяют по накопителям.
- Измельчение бетона. Подготовленный материал, загружается в приемный бункер щековой дробилки и измельчается. После дробления из материала магнитным сепаратором извлекаются металлические включения.
- Сортировка щебня по фракциям. После дробления по конвейеру щебень поступает в виброгрохот, где происходит разделение материала по фракциям.
- Фракции менее 20 мм подвергаются дальнейшей классификации в аэровиброгрохоте и последующих стадиях технологической схемы.
- Фракции 20–40 и 40–70 мм складируются и затем отправляются потребителю.
- Щебень размером более 70 мм проходит повторное дробление.
Рис. 1. Технологическая схема производства вторичного щебня. 1 – щековая дробилка, 2 – транспортер, 3 – магнитный сепаратор, 4 – виброгрохот, 5 – конусная дробилка, 6 – вибрационно-аэрационный разделитель, 7 – циклон ЦН-15, 8 – батарейный циклон ЦБ-254Р, 9 – калорифер, 10 – вентилятор, 11 – рукавный фильтр.
Аэрационно-вибрационный разделитель
Технической задачей, на решение которой направлена разработка нового типа разделителя, является повышение степени утилизации строительных железобетонных отходов путём дополнительного разделения ранее неиспользуемого отсева фракций 0,5-20мм и придания им товарных форм.
Поставленная задача решается применением новой конструкции грохота, в котором классификацию щебня осуществляют путем сочетанного воздействия механической вибрации и аэрации в аэрационно-вибрационном разделителе [24, 25, 26]. (Рис. 2)
Рис. 2. Аэрационно-вибрационный разделитель
1– корпус, 2 – патрубок загрузки, 3,4,5 – потрубки выгрузки, 6,7 –перфорированные перегородки, 8,9,10 – шиберные заслонки, 11 – опорные пружины, 12 – вибрационный привод.
Аэрационно-вибрационный разделитель включает корпус 1 с патрубком 2 загрузки и патрубками выгрузки 3, 4, 5 соответственно. Для обеспечения эффективного разделения корпус 1 выполнен двухуровневым. В корпусе 1 размещены две горизонтальные перфорированные решетки 6 и 7 соответственно. При этом диаметр перфорации каждой решетки выбирается из условия получения заданного гранулометрического состава фракций бетонного лома. По крайней мере, один уровень корпуса состоит из двух частей, разделенных, по меньшей мере, двумя последовательно установленными подпружиненными шиберными заслонками 8 и 9 для предотвращения уноса мелких фракций. Патрубки корпуса могут быть также снабжены подпружиненными шиберными заслонками 10. Подпружиненные шиберные заслонки в ненагруженном состоянии полностью и без зазоров перекрывают проходное сечение патрубков уровней корпуса. Заслонки выполнены с возможностью открываться только в направлении перемещения материала (в направлении вибрации). Корпус грохота 1 установлен на опорных пружинах 11 и соединен с вибрационным приводом 12.
Бетонный лом отделяют от железной арматуры и дробят любым известным способом и далее подают его в вибрационно-аэрационный разделитель на первый уровень через патрубок 2 загрузки на горизонтальную перфорированную решетку 6 с диаметром перфорации менее 5 мм. Разделение на фракции в вибрационно-аэрационном разделителе осуществляют путем вибрационного воздействия с заданным режимом вибрации. Дробленый бетонный лом разделяют, по меньшей мере, на три фракции. Отсев фракций размером от 5 до 20 мм перемещается за счет вибрации в направлении патрубка 5 выгрузки и выгружается из разделителя.
Часть дробленого бетонного лома размером меньше 5 мм просеивается через горизонтальную перфорированную решетку 6 и попадает на горизонтальную перфорированную решетку 7 с диаметром перфорации 2 мм. Таким образом, на первой стадии разделения на верхнем уровне получают щебень с размером частиц более 5 мм. На нижнем уровне осуществляют вторую стадию разделения, на которой фракции с размером частиц менее 2 мм просеивают сквозь горизонтальную перфорированную решетку 7 и выгружают из разделителя через патрубки 4 выгрузки. Оставшийся продукт в виде фракций с размером частиц от 2 до 5 мм перемещается за счет вибрации в направлении патрубка 3 выгрузки и выгружается из разделителя.
Для отделения налипших мелких фракций (0,071 до 1 мм) на крупном щебне (5,0 – 20 мм) осуществляется подсушка щебня путем обдува его горячим воздухом. Для этого (рис. 1.34) в устройство через патрубок подают горячий воздух, под воздействием которого налипший на крупных фракциях песок с размером частиц от 0,071 мм до 1,0 мм подсушивается и подается вместе с горячим воздухом на очистку в циклон (устройство центробежного разделения газопылевых потоков).
Освещены вопросы обогащения твердых отходов при их переработке с использованием различных методов обогащения. Эти методы подразделяются на гравитационные, магнитные, электрические, флотационные и специальные [3, 7, 12, 13].
Показано, что многие процессы утилизации твердых отходов в промышленности основаны на использовании методов выщелачивания (экстрагирования), растворения и кристаллизации перерабатываемых материалов [7].
Для обезвреживания значительной группы твердых промышленных и бытовых отходов применяют термические методы [2, 7, 12]. Они заключаются в тепловом воздействии на отходы, при котором происходит окисление, газификация, термическое разложение или восстановление горючих компонентов этих отходов [14].
Экобиотехнологическими методами перерабатываются отходы, в первую очередь, природные органические вещества, которые служат сырьем для получения различных продуктов микробиологического синтеза. Обогащенные кормовым белком – один из вариантов переработки биомассы растений и различных органических отходов, в основном углевод- и целлюлозосодержащих [1, 4, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 16, 18, 19, 20].
Подробно описаны модульные установки по производству белково-витаминных добавок, позволяющие совместить территориально производство и потребление. Общая блок-схема производства БВД на модульной фермерской установке представлена на рис. 3. Показано, что такие установки обладают рядом несомненных преимуществ [1, 4, 8, 15, 22, 23]:
· возможность, в зависимости от размеров сельскохозяйственной фермы, создавать установки необходимой производительности. За модуль принята установка производительностью 250 кг в сутки БЕЛКОВИТа (товарное название белково-витаминной добавки) в пересчете на сухой продукт (на 250 голов свиней и 50 голов крупного рогатого скота);
· поскольку установка расположена непосредственно у потребителя, то возможно исключить наиболее энергоемкие и грязные стадии производства, обязательные для крупных заводов: сепарацию, выпарку, сушку и упаковку [5, 6]. Готовой продукцией в данном случае является «суспензионное молочко», содержащее 8% сухих веществ, которое подается в отделение подготовки кормов;
· отпадает необходимость в транспортировке и складировании готовой продукции;
· использование собственных отходов сельскохозяйственного производства (ржаные и пшеничные отруби, некондиционное зерно, мучка и др.).
Наличие подобных установок в фермерских хозяйствах освобождает предпринимателей от необходимости приобретать дорогостоящие белковые добавки (соевый шрот, рыбная мука, гидролизные дрожжи, мясокостная мука, подсолнечный шрот и др.).
Описано разложение органических отходов в процессе компостирования. В течение процесса заметным образом меняется численность и видовой состав микроорганизмов. Скорость получения конечного продукта зависит от нескольких взаимосвязанных параметров. К ним относятся источники питания, дисперсность частиц, влажность, прочность структуры, аэрация, перемешивание, рН и размер кучи [4, 17, 21]. Получаемый компост может использоваться при планировочных работах, для выращивания быстрорастущих деревьев, а также рекультивации земель при периодичности внесения 1 раз в 5 лет из расчета 5 т/га по сухому веществу.
Процесс компостирования в штабелях прост в обслуживании и позволяет существенно сократить топливно-энергетические расходы на обеззараживание осадков и улучшить их санитарно-гигиенические показатели (вследствие гибели болезнетворных микроорганизмов, яиц гельминтов и личинок мух). В процессе жизнедеятельности аэробных микроорганизмов происходит потребление органических веществ, поэтому биотермический процесс наиболее эффективен при компостировании сырых несброженных осадков. В процессе компостирования сокращается масса сухого вещества.
Биодеградация органического материала при компостировании приводит к потере примерно 30–40% органического вещества в виде диоксида углерода и воды. Таким образом, масса образующегося компоста существенно меньше массы исходного сырого материала. Все это существенно снижает стоимость транспортирования [4, 17, 21].
На современных очистных станциях сбраживанию обычно подвергается смесь сырого осадка и активного ила. Минерализация органических веществ осадка и ила в процессе брожения сопровождается выделением продуктов распада в газ и в иловую воду и приводит к значительным изменениям в химическом составе сброженной смеси. Общий объем бродящей смеси практически не изменяется и, так как сухое вещество в результате распада уменьшается, влажность осадка в процессе брожения возрастает. Возрастает и зольность, поскольку зольная часть осадка при сбраживании остается неизменной, а сухое вещество уменьшается.
Эффективность работы метантенков оценивается по величине распада беззольного вещества, который подсчитывают либо по выходу газа, либо по убыли беззольного вещества.
Выход газа при сбраживании в метантенках обусловливается распадом только жиров, белков и углеводов, составляющих основную массу беззольного вещества осадков. Образующийся в метантенках газ состоит в основном из метана – 60–67% и угольной кислоты – 30–33%, содержание водорода не превышает 1–2%, азот составляет около 0,5%. Высокое содержание метана в газе обусловливается распадом жиров и белков. Углеводы дают газ с большим содержанием угольной кислоты.
Установлено, что полного сбраживания беззольного вещества осадка и каждого из его компонентов независимо от условий сбраживания в метантенке добиться невозможно. Все они имеют свой предел сбраживания, зависящий от их химического состава.
Жироподобные вещества осадков городских сточных вод способны распадаться не более чем на 70%, предел распада углеводов равен 62,5%, белков – 48%.
Подробно описаны способы разделения биогаза на метан и СО2. Показано [11, 12], с учетом его физико-химического и микробиологического состава наиболее приемлемым способом является абсорбция. При выборе схемы и сорбента были изучены различные системы.
В учебнике даны примеры получения вторичных продуктов при переработке отходов (не биотехнологическим путем): соляной кислоты и хлора при переработке хлорорганических отходов, серной кислоты при переработке кислых гудронов, ценных продуктов при переработке металлсодержащих шламов.
1. Луканин А.В. Переработка отходов хлебопроизводства с получением белково - витаминной добавки. Экология и промышленность России, январь,2013 г., с. 11-15.
2. Луканин А.В., Баринский Е.А., Баринская И.А., Баринский А.А. Ресурсосберегающая технология утилизации резинотехнических изделий с получением товарных продуктов и энергоресурсов. Экологический вестник России, - №1. - 2013 г. - с. 44-51.
3. Луканин А.В. Процессы и аппараты биотехнологической очистки сточных вод. Учебное пособие. М.: Университет машиностроения, 2014. 244 с.
4. Луканин А.В. Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств: учебное пособие. М.: ИНФРА-М, 2016. 304 с.
5. Луканин А.В. Процессы и аппараты биотехнологической очистки сточных вод. Учебное пособие. М.: ИНФРА-М, 2016. 242 с.
6. Клюшенкова М.И., Луканин А.В. Защита окружающей среды от промышленных газовых выбросов. Учебное пособие. М.: ИНФРА-М, 2016. 142 с.
7. Луканин А.В. Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиологических производств: учебное пособие. М.: ИНФРА-М, 2016. 451 с.
8. Луканин А.В. Экологическое совершенствование крупнотоннажных производств кормового белка. Экологический вестник России. - №6. - 2016 г. - с. 46-56.
9. Луканин А.В., Тахтарова Т.В. Способ получения белково-витаминной добавки для сельскохозяйственных животных и птицы. Патент РФ №2592568 от 01.06.2016 г.
10. Луканин А.В., Тахтарова Т.В. Способ получения белково-витаминной добавки для сельскохозяйственных животных и птицы. Патент РФ №2598553 от 01.09 .2016 г.
11. Луканин А.В., Тахтарова Т.В. Способ разделения биогаза. Патент РФ №2600379 от 28.09.2016 г.
12. Луканин А.В. Инженерная экология: Процессы и аппараты очистки сточных вод и переработки осадков: учебное пособие М.: ИНФРА-М, 2017. 605 с. + доп. материалы.
13. Луканин А.В. Защита воздушного бассейна при крупнотоннажном производстве кормового белка. Журнал технических исследований. 2017. - т. 2. - №. 6. - с. 2-2. DOI:
14. Капитонова С.Н., Луканин А.В., Бондаренко А.В. Интенсификация биологической очистки сточных вод микробиологических производств. Естественные и технические науки. 2017. - №2. - с. 23-24.
15. Луканин А.В. Защита воздушного бассейна при крупнотоннажном производстве кормового белка. Экология и промышленность России, март, 2017 г., - с. 4-11.
16. Луканин А.В. Инженерная экология: процессы и аппараты очистки газовоздушных выбросов: учебное пособие. М.: ИНФРА-М, 2017. 523 с.
17. Луканин А.В. Компостирование твердых бытовых отходов городского хозяйства. Экология и промышленность России, январь, 2012 г., с. 8-11.
18. Луканин А.В., Соломаха Г.П. Гидродинамика течения и массоперенос в продуваемом закрученном слое жидкости. АН СССР, ж.ТОХТ, том ХХ11, №4, М., 1988, с. 435-441.
19. Луканин А.В. Модернизация промышленного ферментера АДР-900-76 для производства белковой кормовой добавки из растительного сырья. ж. Биотехнология, №6, 2003г., с. 84-88.
20. Луканин А.В. Новый высокоэффективный промышленный ферментер большой единичной мощности для производства белковой кормовой добавки ж. Наука и промышленность России, №2-3, (70-71) 2003 г., с. 61-66.
21. Луканин А.В. Получение компостов из коммунальных отходов. Прикладная токсикология. Том III, - №2 (8), - 2012 г., - с. 46-54.
22. Луканин А.В. Кандидатская диссертация. «Разработка массообменных аппаратов для систем производства микроводорослей, их гидравлические и массообменные характеристики» , 1984 г. 219 с.
23. Луканин А.В. Докторская диссертация. «Экологическое совершенствование крупнотоннажных производств кормового белка», М., 1994 г., 269 с.
24. Луканин А.В. Утилизация бетонного лома в крупных городах. Экологический вестник России, №12, 2011 г. с. 34-43
25. Способ утилизации бетонного лома. Луканин А.В.,Лаврушина Ю.Т.,Мартьянов А.А., Сахарова А.И., Тарасова Е.В. Патент РФ №2425723 от 10.09.2011г.
26. Луканин А.В. Утилизация мелких фракций вторичного щебня. Экология производства, №2, 1012 г., с. 46-52.
