Способ и устройство для обезвреживания и утилизации массива бытовых отходов

Предлагаемое изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано для обезвреживания и утилизации городских и промышленных отходов органического происхождения за счет солнечной энергии и атмосферных осадков.

Известен способ утилизации отходов, включающий вскрытие угольного пласта скважиной, формирование полости подземного газогенератора и последующее газифицирование углеродсодержащей фракции отходов в подземном газогенераторе, причем полость подземного газогенератора формируют посредством гидромониторного агрегата, осуществляют термическую подготовку массива к газификации, для чего в полость подают газ с температурой 350-400°C, по завершении чего полость газогенератора загружают углеродсодержащей фракцией бытовых отходов, которые перед вводом в подземный газогенератор подвергают пиролизу при температуре 500-600°C, подают газовую смесь, включающую CO₂, O₂ , в состав дутья вводят пары воды, при этом после окончания выгазовывания первой порции отходов полость газогенератора заполняют следующей порцией отходов и так далее до полного заполнения полости газогенератора зольным остатком [Патент РФ №2167011, МПК В09В03/00, Е21В 3/295, F23 G 5/027, 2001].

Основными недостатками известного способа и устройства являются невозможность использования для обезвреживания отходов природных факторов (энергии солнца и атмосферных осадков), необходимость установки подземного газификатора-реактора в угольном пласте, что ведет к техническим трудностям и высоким издержкам, а также необходимость транспортировки отходов к месту расположения газификатора–реактора, что делает невозможным проведение одновременно стабилизации полигона и обезвреживания отходов внутри самого полигона.

Более близким к предлагаемому изобретению является способ для термической утилизации твердых бытовых отходов, содержащий бурение скважины на полигоне захоронения отходов и проведение газификации органических компонентов отходов непосредственно в массиве складированных отходов при помощи контролируемого нагрева, включающего подачу топлива и воздуха, горение топлива, в результате чего температура в прилегающей к горелке зоне и начинается горение отходов до температуры 900°C, при которой внутри участка массива отходов образуется реакторная зона, где происходит контролируемая газификация органических компонентов твердых отходов в автотермическом режиме и образование синтез-газа, в околореакторном пространстве за счет системы перфорированных труб создается зона пониженного давления, в результате чего синтез-газ извлекается из тела полигона.

Реализацию известного способа осуществляют с помощью устройства, содержащего проложенную в скважине газовоздушную магистраль, снабженную горелкой и электрическим поджигом (камеры сгорания), которую перемещают внутри массива по вертикали путем погружения-извлечения подводящих и отводящих труб, а по горизонтали - путем бурения скважин по рассчитанной сетке с чередованием подводящих и отводящих труб [Патент РФ №2536944, МПК B09B 3/00, B09C 1/06, F23G 5/027, F23G 5/34, 2014].

Основными недостатками известного способа являются невозможность использования для обезвреживания отходов природных факторов (энергии солнца и атмосферных осадков), необходимость сжигания топлива от постороннего источника в подземной передвижной камере сгорания, выбросы значительной части газообразных продуктов, полученных в результате происходящих в массиве реакций, через наружную поверхность массива отходов в окружающую атмосферу, что снижает экологическую и экономическую эффективность известного способа.

Основными недостатками известного устройства являются необходимость камеры сгорания с подводящими и отводящими трубопроводами, ее монтажа и перемещения внутри массива по вертикали путем погружения-извлечения подводящих и отводящих труб, а по горизонтали - путем бурения скважин по рассчитанной сетке с чередованием подводящих и отводящих труб, что обусловливает технические трудности, низкую надежность и высокие издержки на создание и эксплуатацию известного устройства и, в конечном итоге, снижает его надежность, экологическую и экономическую эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности, экологической и экономической эффективности способа и устройства для обезвреживания и утилизации массива бытовых отходов.

Технический результат достигается тем, что способ для обезвреживания и утилизации массива бытовых отходов содержит бурение скважин в толще массива и установку в них вертикальных перфорированных отводящих труб, солнечный нагрев и увлажнение массива, размещенного под пирамидальными прозрачными колпаками, атмосферными осадками и питательной водой из канавок между колпаками, анаэробное брожение в толще массива с получением био–газа (метана), вывод его из колпаков и пор массива через вертикальные перфорированные отводящие трубы, соединенные через газопроводы с компрессором, который создает разрежение в полости колпаков и соединенных с ним на всасе газопроводов и сжимает на выходе биогаз, поступающий далее под давлением в трубное пространство воздушного холодильника, охлаждаемого наружным воздухом за счет естественной тяги, где происходит его охлаждение с конденсацией значительной части водяных паров и тяжелых углеводородов, после чего очищенный и охлажденный биогаз, состоящий в основном из CH₄, поступает в газосборник, а конденсат, состоящий из воды и тяжелых углеводородов, направляют в накопительную емкость.

Устройство для реализации предлагаемого способа обезвреживания и утилизации бытовых отходов приведено на фиг. 1–5 (на фиг.1, 2 – общий вид, на фиг.3–5 – основные узлы).

Устройство для обезвреживания и утилизации массива бытовых отходов содержит участок массива 1 на подошве 2 полигона захоронения отходов, пробуренные в массиве 1 по рассчитанной сетке N скважины 3, над которыми установлены N прозрачных герметичных пирамидальных колпаков 4 с зазорами между собой по горизонту шириной ∆₁ и глубиной погружения в массив 1 ∆₂, образующими канавки 5, каждый колпак 4 изготовлен из каркаса 6, образованного нижней квадратной рамой 7, и верхнего кольца 8, соединенных между собой наклонными ребрами 9, покрытыми прозрачной оболочкой 10 (например, полиэтиленовой пленкой), причем в каждом колпаке 4 через верхнее кольцо 8 пропущены в скважины 3 сквозные отводящие вертикальные перфорированные трубы 11, достигающие нижним торцом подошвы 2 полигона, верхний торец которых вставлен в приемный патрубок 12 рядового газового коллектора 13, соединенного с общим газовым коллектором 14, соединенного через всасывающий газопровод 15 с расположенными за границей полигона компрессором 16, воздушным трубчатым холодильником 17 и газосборником (на фиг. 1–5 не показан), а канавки 5 пограничных колпаков 4 соединены (на фиг. 1–5 узел соединения не показан) через распределительный лоток 18 с питательным насосом (на фиг. 1–5 не показан).

В основу работы предлагаемого способа и устройства положены хорошая растворимость диоксида углерода, находящегося в дождевой воде, в сыром массиве бытовых отходов, ввиду наличия в нем белков, жиров и других органических соединений [К. Неницеску. Общая химия. – М.: Мир, 1968, 4, с.490] и возможность получения метана при сбраживании сырого массива бытовых отходов [С. В. Яковлев и др. Канализация. – М.: Госстройизд, 1976, с. 263].

Предлагаемый способ обезвреживания и утилизации массива бытовых отходов осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом.

Предварительно, вблизи полигона захоронения отходов монтируют стационарное оборудование установки (место установки этого оборудования желательно располагать также поблизости от источника водоснабжения), а именно: компрессор 16, воздушный трубчатый холодильник 17, распределительный лоток 18, газосборник, накопительную емкость и питательный насос (на фиг. 1–5 не показаны), на участке массива 1 полигона захоронения бурят скважины 3, куда вставляют отводящие вертикальные перфорированные трубы 11, достигающие нижним торцом подошвы 2 полигона, после чего засыпают свободное пространство скважин 3. Затем на вышеупомянутом участке массива 1 устанавливают N предварительно собранных, прозрачных герметичных пирамидальных колпаков 4 с зазорами между собой по горизонту шириной ∆₁ и глубиной погружения в массив 1 ∆₂, образующими канавки 5. При этом глубина погружения ∆₂ должна обеспечивать достаточную герметичность колпаков 4, а ширина зазоров ∆₁ и их глубина должны обеспечивать надежное увлажнение площади и толщи массива 1 под колпаками 4. Далее на верхние торцы труб 11 надевают приемные патрубки 12 рядовых газовых коллектора 13, соединяют их с общим газовым коллектором 14, который соединяют через всасывающий газопровод 15 с компрессором 16.

Примечание. Площадь колпаков 4 находят, исходя из оптимального расстояния всасывания биогаза трубой 11 и увлажнения массива 1 из канавок 5, а угол наклона ребер 9 должен быть не меньше угла естественного откоса воды. Количество пирамидальных прозрачных колпаков 4 N и соответствующее им количество скважин 3 с отводящими трубами 11 лимитируется аэродинамическим сопротивлением всасывающей части газопроводов установки.

Проведение обезвреживания органических компонентов полигона захоронения отходов осуществляют в теплое время года непосредственно в массиве 1 складированных отходов при помощи солнечного нагрева и дождевого увлажнения (при недостаточном естественном увлажнении используют подачу воды в канавки 5 из постороннего источника водоснабжения посредством питательного насоса и распределительного лотка 18) с получением биогаза (метана) и его последующим выводом через отводящие трубы 11 и поры массива 1 в пространство под колпаком 4 и газопроводы 3. При насыщении массива 1 дождевой водой или водой из источника водоснабжения и нагрева его солнечными лучами через прозрачную оболочку пирамидальных колпаков 4, в толще массива 1 образуется нечто подобное сырому осадку в метантенке с температурой (20–30)°С, которая достаточно близка к оптимальной температуре анаэробного брожения (30–50)°С. Температура в толще массива 1 может также повышаться за счет экзотермических реакций, происходящих между его компонентами. В то же время, наряду с увлажнением, массив 1 насыщается примесями, присутствующими в дождевой или подпиточной воде (СО₂, NO_X, SO_X, соли Са, Mg и пр.), в результате процессов абсорбции, адсорбции и хемосорбции, которые протекают с компонентами массива бытовых отходов (частицами белков, жирами, песком, глиной и. д.), причем в массиве 1 при разложении жиров, белков, минеральных солей и пр. образуется СО₂, а дождевая вода уменьшает рН массива 1, что также интенсифицирует процессы образования СН₄. В результате взаимодействия вышеперечисленных факторов происходит обезвреживание органических компонентов сырого массива 1 путем анаэробного сбраживания, которое является основным методом обезвреживания сырых осадков сточных вод, имеющих приблизительно тот же состав, что и массив бытовых отходов. При этом, в результате распада органических веществ бытовых отходов и взаимодействия продуктов распада с диоксидом углерода в качестве основных продуктов получается метан.

Метан образуется в результате восстановления СО₂ или метильной группы уксусной кислоты

где АН₂ – органическое вещество, служащее для метанообразующих бактерий донором водорода (жирные кислоты кроме уксусной и спирты кроме метилового).

Кроме этого многие виды метанообразующих бактерий окисляют молекулярный водород, образующийся в кислой фазе по реакции:

Микроорганизмы, использующие уксусную кислоту и метиловый спирт, осуществляют реакции:

При этом, если в массиве 1 имеется свободный СО₂, скорость реакций (1), (2) увеличивается, а реакций (3), (4) уменьшается, что повышает долю метана в получаемом газе.

Полученный биогаз компрессором 16 подают в трубное пространство воздушного холодильника 17, который охлаждается наружным воздухом за счет естественной тяги, где происходит его охлаждение с конденсацией значительной части водяных паров и тяжелых углеводородов. Очищенный и охлажденный биогаз, состоящий в основном из CH₄, поступает в газосборник (на фиг. 1–5 не показан), а конденсат направляют в накопительную емкость. При этом в результате работы компрессора 16, в полости колпаков 4 создается некоторое разрежение, которое увеличивает скорость отрыва молекул компонентов биогаза от поверхности массива 1 под колпаком 4, в результате чего также увеличивается скорость движения этих молекул в порах массива 1, затрудняется движение их к поверхности канавок 5 и предотвращается их попадание в атмосферу. Кроме того, постоянное присутствие влаги на поверхности канавок 1 также препятствует попаданию молекул компонентов биогаза в атмосферу.

Полученный метан может быть использован как топливо для теплогенераторов, конденсат в зависимости от типа и концентрации в нем углеводородов направляют на дальнейшую переработку или сбрасывают с питательной водой на увлажнение массива 1, а сброженный массив после отделения от него посторонних предметов используется как высокоэффективное удобрение для сельского хозяйства.

Процесс обезвреживания участка массива 1 проводят в течение теплого периода одного года (длительность процесса зависит от средней температуры теплого периода, толщины и пористости массива 1, содержания и характера органических компонентов отходов). По окончании обезвреживания демонтируют все оборудование одновременно с вывозом сброженных бытовых отходов и устанавливают его на следующем участке полигона захоронения отходов. Для ускорения процесса обезвреживания полигона можно устраивать несколько одновременно функционирующих участков массива 1.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство за счет использования природных факторов (солнечного тепла и атмосферных осадков), наряду с улучшением экологической ситуации в местах обезвреживания бытовых отходов, обеспечивают утилизацию их наиболее опасной (органической) части с получением биогаза (топливного газа–метана), без существенных энергетических затрат (энергия тратится только на привод компрессора и питательного насоса), что повышает надежность, экологическую и экономическую эффективность процесса обезвреживания и утилизации массива бытовых отходов.