Способ и устройство для обезвреживания и утилизации массива коммунальных отходов

Предлагаемое изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано для обезвреживания и утилизации городских (коммунальных) твердых 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°С, по завершении чего полость газогенератора загружают углеродсодержащей фракцией бытовых отходов, которые перед вводом в подземный газогенератор подвергают пиролизу при температуре 500-600°С, подают газовую смесь, включающую CO₂, О₂, 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 В09В 03/00, Е21В 3/295, F23G 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 (коммунальных) 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°С, 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 газовоздушной магистрали, снабженной 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 В09В 3/00, В09С 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 реакции, через наружную поверхность массива отходов в окружающую атмосферу, а также фильтрация загрязненных сточных вод из массива полигона в грунтовые воды окружающей местности, что снижает экологическую и экономическую эффективность известного способа.

Основными недостатками известного устройства являются необходимость использования 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, невозможность предотвращения им фильтрации загрязненных сточных вод из массива отходов в окружающие грунтовые воды, что обусловливает технические трудности, низкую надежность, 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 твердых коммунальных отходов.

Технический результат достигается тем, что способ для обезвреживания и утилизации массива твердых коммунальных отходов содержит бурение скважин в толще массива с установкой в них вертикальных перфорированных отводящих труб и над ними пирамидальных прозрачных колпаков, окружение массива по периметру дренажным каналом, 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, откачку сточных вод массива из дренажного канала, разделение их на газовую, жидкую углеводородную, водную и шламовую фракции в результате процессов отстаивания и нагрева, вывод и накопление углеводородной и шламовой фракций с их дальнейшей переработкой и утилизацией, вывод водной фракции и ее дегазация за счет солнечного нагрева, использование дегазированной воды для подпитки питательной воды, подачу газовой фракции и выхлопного газа из отстойника и дегазатора во всасывающий газопровод с образованием смешанного биогаза, создание разрежения компрессором в полости колпаков и соединенных с ним на всасе газопроводов, который сжимает на выходе смешанный биогаз, поступающий далее под давлением в трубное пространство воздушного холодильника, охлаждаемого наружным воздухом за счет естественной тяги, где происходит его охлаждения с конденсацией значительной части водяных паров и тяжелых углеводородов, после чего очищенный и охлажденный биогаз, состоящий в основном из СН₄, поступает в газосборник, а конденсат, состоящий из воды и тяжелых углеводородов направляют в накопительную емкость.

Устройство для реализации предлагаемого способа обезвреживания и утилизации коммунальных отходов приведено на фиг. 1-7 (на фиг. 1,2 - общий вид массива, на фиг. 3 - схема узла обработки биогаза и сточных вод, на фиг. 4-7 - основные узлы устройства.

Устройство для обезвреживания и утилизации массива бытовых отходов, включает участок массива 1 на подошве 2 полигона захоронения отходов, окруженный по периметру дренажным каналом 3, выполненным глубиной несколько ниже подошвы 2, днище и наружное ограждение 4 которого выполнены из прочного водонепроницаемого материала, у днища 4 помещен погружной насос 5, а вверху дренажного канала 3 расположен питательный лоток 6, в массиве 1 по рассчитанной сетке пробурены N скважин 7, над которыми установлены N прозрачных герметичных пирамидальных колпаков 8 с зазорами между собой по горизонту шириной Δ₁ и глубиной погружения в массив 1 Δ₂, образующими канавки 9, соединенные с питательным лотком 6 (на фиг. 1-7 узел соединения не показан), каждый колпак 8 изготовлен из каркаса 10, образованного нижней квадратной рамой 11, и верхнего кольца 12, соединенных между собой наклонными ребрами 13, покрытыми прозрачной оболочкой 14 (например, полиэтиленовой пленкой), причем в каждом колпаке 8 через верхнее кольцо 12 пропущены в скважины 7 сквозные отводящие вертикальные перфорированные трубы 15, достигающие нижним торцом подошвы 2 полигона, верхний торец которых вставлен в приемный патрубок 16 рядового газового коллектора 17, соединенного через общий газовый коллектор 18 с всасывающим газопроводом 19, узел обработки и утилизации 20, расположенный за границей полигона и состоящий из соединенного с всасывающим газопроводом 19, компрессора 21, напорный газопровод которого соединен с воздушным трубчатым холодильником 22 и газосборником (на фиг. 1-7 не показан), отстойника сточных вод 23, днище которого снабжено шламовым трубопроводом 24, соединенного снизу через напорный трубопровод 25 с погружным насосом 5, сверху через соединительный газопровод 26 с всасывающим газопроводом 19, а в средней части через питательный трубопровод 27 с дегазатором 28, который состоит из цилиндрического корпуса 29, днище которого соединено через выходной трубопровод 30 с установкой обеззараживания сточных вод (на фиг. 1-7 не показана), а верхний торец соединен с подогревателем 31, представляющим собой герметичный пирамидальный колпак 32, снабженный питательным патрубком 33 и соединенный выхлопным газопроводом 34 с всасывающим газопроводом 19 (устройство пирамидального колпака 32 аналогично устройству пирамидального колпака 8), днище 35 подогревателя 31 выполнено также пирамидальным с отверстием в центральной части (на фиг. 1-7 не показано) диаметром равным диаметру цилиндрического корпуса 29 и уклоном, направленным в сторону оси подогревателя 31, внутри корпуса пирамидального колпака 32 вдоль его периметра устроен зубчатый водослив 36, образующий с квадратной рамой 11 распределительный лоток_:37.

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], а также наличие в массиве коммунальных отходов значительного количества сточных загрязненных вод, в которых растворены CO₂, горючие газы и другие органические соединения.

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

Предварительно, вблизи полигона захоронения отходов монтируют оборудование стационарного узла обработки и утилизации 20 (место установки его оборудования желательно располагать также поблизости от источника водоснабжения), а именно: компрессор 21, соединенный с всасывающим газопроводом 19 и газосборником (на фиг. 1-7 не показаны), воздушный трубчатый холодильник 22, отстойник сточных вод 23 и дегазатор 28, соединяют их с всасывающим газопроводом 19 и другими коммуникациями, накопительную емкость и питательный насос (на фиг. 1-7 не показаны), на участке массива 1 полигона захоронения бурят скважины 7, куда вставляют отводящие вертикальные перфорированные трубы 15, достигающие нижним торцом подошвы 2 полигона, после чего засыпают свободное пространство скважин 7. Затем на вышеупомянутом участке массива 1 устанавливают N предварительно собранных, прозрачных герметичных пирамидальных колпаков 8 с зазорами между собой по горизонту шириной Δ₁ и глубиной погружения в массив 1 Δ₂, образующими канавки 9. При этом глубина погружения Δ₂ должна обеспечивать достаточную герметичность колпаков 8, а ширина зазоров Δ₁ и их глубина должны обеспечивать надежное увлажнение площади и толщи массива 1 под колпаками 8. Затем массив 1 окружают по его периметру дренажным каналом 3 выполненным глубиной несколько ниже подошвы 2, днище и наружное ограждение 4 которого выполнены из прочного водонепроницаемого материала, у днища 4 устанавливают погружной насос 5, а вверху дренажного канала 3 монтируют питательный лоток 6, соединяя его с канавками 9. Далее на верхние торцы труб 15 надевают приемные патрубки 16 рядовых газовых коллектора 17, соединяют их с через общий газовый коллектор 18 с всасывающим газопроводом 19, а погружной насос 5 соединяют через напорный трубопровод 25 с отстойником сточных вод 23.

Площадь колпаков 8 находят, исходя из оптимального расстояния всасывания биогаза трубой 15 и увлажнения массива 1 из канавок 9, а угол наклона ребер 13 и наклон пирамидального днища 35 должен быть не меньше угла естественного откоса воды. Количество пирамидальных прозрачных колпаков 8 N и соответствующее им количество скважин 7 с отводящими трубами 15 лимитируется аэродинамическим сопротивлением всасывающей части газопроводов установки. Площадь колпака 32 солнечного подогревателя 31 находят из условия количества сточной воды и оптимального ее подогрева для максимальной дегазации, растворенных в ней газов. Размеры дренажного канала 3 (глубина и ширина), отстойника 23 и корпуса дегазатора 28 (диаметр и высота) определяются размерами массива 1 и количеством сточных вод.

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 9 из постороннего источника водоснабжения или обеззараженной сточной воды после дегазатора 28 посредством питательного насоса (на фиг. 1-7 не показан) и питательного лотка 6 с получением биогаза (метана) и его последующим выводом через отводящие трубы 15 и поры массива 1 в пространство под колпаком 8, рядовой газовый коллектор 17, общий газовый коллектор 18 и всасывющий газопровод 19. При насыщении массива 1 дождевой водой, обеззараженной водой или водой из источника водоснабжения и нагрева его солнечными лучами через прозрачную оболочку пирамидальных колпаков 8, 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 тоже время, наряду с увлажнением, массив 1 насыщается примесями, присутствующими в дождевой или подпиточной воде (CO₂, 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 разложения жиров, белков, минеральных солей и пр. образуется CO₂, 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 CO₂ или метильной группы уксусной кислоты

где АН₂ - органическое вещество, служащее для метанобразующих 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 С0₂, скорость реакций (1), (2) увеличивается, а реакций (3), (4) уменьшается, что повышает долю метана в получаемом газе.

Одновременно в массиве 1 образуются сточные воды, насыщенные СН₄, CO₂, NO_X, SO_X, солями Са, Mg, жирами, белками и пр., в результате вышеописанных процессов фильтруются через поры массива 1 и собираются в дренажном канале 3, откуда погружным насосом 5 подаются в отстойник сточных вод 23. В отстойнике 23 сточные воды в результате процесса отстаивания делятся на три фракции: верхняя легкая фракция, состоящая в основном из жиров и углеводородов, средняя водная фракция, содержащая растворенные газы, том числе и метан, нижняя тяжелая фракция, содержащая минеральные соли, глину, песок и пр. минеральные примеси. При этом, в результате нагрева верхней фракции за счет тепла окружающей среды, из нее выделяется некоторое количество газов (СН₄, CO₂ и пр.), которые через соединительный газопровод 26 поступают во всасывающий газопровод 19, а жидкая часть легкой фракции из верхней зоны отстойника 23 отводится в емкость сбора горючего (на фиг. 1-7 не показана). Нижняя тяжелая фракция, содержащая минеральные соли, глину, песок и пр. в виде шлама выводится из отстойника 23 через шламовый трубопровод 24. Средняя водная фракция через питательный трубопровод 27 поступает в подогреватель 31 дегазатора 28. В подогревателе 31 вода из распределительного лотка равномерно распределяется через зубчатый водослив по наклонному днищу 35 и стекает в полость корпуса 29, нагреваясь во время движения за счет тепла солнечных лучей, поступающих через прозрачную оболочку 14. При этом, в результате интенсивного нагрева, происходит ее дегазация с выделением СН₄, CO₂ и небольшого количества водяных паров, которые по выхлопному газопроводу 34 поступают во всасывающий газопровод 19, а дегазированную воду удаляют через трубопровод 30.

Биогаз, смешанный с газовыми фракциями, поступившими в результате дегазации сточных вод массива 1 из отстойника 23 и дегазатора 28, компрессором 27 подают в трубное пространство воздушного холодильника 22, который охлаждается наружным воздухом за счет естественной тяги, где происходит его охлаждения с конденсацией значительной части водяных паров и тяжелых углеводородов. Очищенный и охлажденный биогаз, состоящий в основном из СН₄, поступает в газосборник, а конденсат направляют в накопительную емкость (на фиг. 1-7 не показан). При этом, в результате работы компрессора 21, в полости пирамидальных колпаков 8 создается некоторое разрежение, которое увеличивает скорость отрыва молекул компонентов биогаза от поверхности массива 1 под колпаком 8, в результате чего также увеличивается скорость движения этих молекул в порах массива 1, затрудняется движение их к поверхности канавок 9 и предотвращается их попадание в атмосферу. Кроме того, постоянное присутствие влаги на поверхности канавок 1 также препятствует попаданию молекул компонентов биогаза в атмосферу.

Шлам из отстойника 23, в зависимости от его состава, может использоваться как минеральное удобрение или сбрасывается на повторную обработку в тело массива 1. Верхняя легкая фракция, состоящая в основном из жиров и углеводородов, в зависимости от их соотношения, может быть использована как добавка к печному топливу или направляется на дальнейшую очистку. Дегазированную воду из дегазатора 28 при необходимости подают на установку обеззараживания или питательным насосом (на фиг. 1-7 не показаны) подают в питательный лоток 6 для смачивания массива 1 или сбрасывают (после обеззараживания) в ближний водоем.

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 течении 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 коммунальных 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 коммунальных 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 коммунальных отходов.