Новости

Технология промышленного компостирования

Переработка и повторное использование отходов является одной из главных проблем человечества. И конечно, Россия, с ее масштабной добывающей и перерабатывающей промышленностью (в том числе целлюлозно-бумажной), не является исключением.

Одним из наиболее крупных целлюлозно-бумажных комбинатов в РФ являлся ОАО «Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат» (БЦБК), расположенный на южном побережье озера Байкал в Слюдянском районе Иркутской области. БЦБК был введен в эксплуатацию в 1966 г. и за все время его функционирования (до 2013 года) на территории Иркутской области было накоплено несколько миллионов тонн различных отходов (!). Все эти отходы можно разделить на твердые и жидкие. Жидкие в основном представляют собой надосадочные воды очистных сооружений, прудков-отстойников и карт полигонов «Солзанский» и «Бабхинский». Твердые — осадочные отложения карт этих полигонов.
Осадок центральных очистных сооружений (ЦОС) представляет собой активный ил и часть неорганических примесей. Отходы полигона «Бабхинский» представлены преимущественно неорганическими или минеральными веществами (золошлаки от сжигания углей, шлам-лигнин, строительные отходы, шлам зеленого щелока и др.), а полигона «Солзанский» — органическими веществами или их частичной смесью с минеральными.
На полигоне «Солзанский» накоплено наибольшее количество твердых отходов, основным компонентом которых является шлам-лигнин. Полигон состоит из десяти карт, в которых содержится около 4 млн. тонн шлам-лигнина с примесью золошлаков в отдельных картах.
Шлам-лигнин представляет собой пластичную глиноподобную массу (его усредненная влажность в картах — 65%, среднее содержание органического вещества 60%).
По данным исследований сотрудников Иркутского национального исследовательского технического университета, в состав шлам-лигнина входят лигнинные вещества (не менее 50%), ил (15-25%), целлюлозное волокно (5-10%) и полиакриламид (5%). Т.е. половину органических веществ составляют лигнины. В состав также входят соединения алюминия, кремния, кальция, железа, натрия и других металлов. Было установлено, что большинство образцов шлам-лигнина относятся к IV классу опасности.

Очевидно, что задача обезвреживания шлам-лигнина, накопленного в лагунах, должна решаться в несколько различных технологических этапов, независимо от того, каким способом будет обезврежен сам лигнин.
Первый этап должен включать очистку береговой зоны и части водного зеркала от кустарника и деревьев, а также болотной растительности. При этом, следует учесть, что при очистке образуются дополнительные отходы в виде растительной массы.

Второй этап включает удаление надшламовой воды. На этом этапе способы удаления воды могут различаться в зависимости от избранного способа обезвреживания самого лигнина. После удаления надосадочных вод следует изъять осадок и транспортировать его на место обезвреживания.
Основной этап обезвреживания включает саму технологическую операцию перевода шлам-лигнина в почвогрунт (компост) V класса опасности.

Наконец, заключительный этап обезвреживания отхода состоит либо в непосредственном использовании полученного продукта, либо в его размещении и транспортировки до места назначения. Таким образом, вся технологическая цепочка этапов определяется выбранным способом обезвреживания. При этом должны соблюдаться требования к организации работ по обезвреживанию шлам-лигнина с недопущением негативного воздействия на окружающую среду, а также с использованием современных экономически эффективных инновационных технологий.
К таким требованиям относятся:

  • обезвреживание с получением продукта V-го класса опасности,
  • минимизация получения вторичных отходов,
  • соблюдение требования правового режима Центральной экологической зоны Байкальской природной территории,
  • возможность использования продукта обезвреживания и включения освобожденных территорий в хозяйственное пользование.
В 2021 г. «Дирекция по ликвидации накопленного вреда окружающей среде и обеспечению безопасности гидротехнических сооружений полигона «Красный Бор» и Федеральное государственное унитарное предприятие «Федеральный экологический оператор» представили несколько десятков технологических решений по ликвидации НВОС ОАО «БЦБК», которые включали не менее 30 различных предложений для обезвреживания твердых отходов.

На основе имеющихся результатов апробации, а также в результате оценки этих технологических решений специалистами Российской академии наук, в качестве перспективных были выбраны 3 технологии утилизации шлам-лигнина. Первая технология обезвреживания — от компании «НПО «Квантовые Технологии», вторая технология литификации от компании «Точка» и третья технология компостирования от компании «Биотехкомпост».

Изучив данный материал, мы провели свою экологическую экспертизу данных технологий, направили результаты в ФЭО и хотим познакомить читателей нашего журнала со своим заключением.
Первая технология – обработка содержимого карт полигона «Созанский» специальными реагентами «Полиаминол» и «Агроионит».
Согласно материалам компании-производителя «Полиаминол» – препарат, представляющий собой жидкость с запахом аммиака, содержащую комплекс меди. Принцип действия заключается в связывании ионов тяжелых металлов в нетоксичные комплексные соединения, среди которых соединения меди, цинка, хрома и никеля активизируют воссоздание нормального биоценоза в продукте, при одновременной дезинфекции осадка.

Однако для обработки отходов «Полиаминолом» необходимо удаление надшламовой воды. Возникает также проблема с перемешиванием 1-1,2 части (л) объема «Полиаминола» с 1000 объемной части (дм²) шлам-лигнина. Учитывая высокую плотность слоев шлам-лигнина, ниже отметки 3,5м, равномерное перемешивание реагента с отходом становится практически невозможным, либо предполагает высокие энергетические затраты.

Известно, что состав атмосферы над Байкалом контролируется, и возникает проблема соответствия технологии использования «Полиаминола» требованиям безопасности воздушной среды над озером, т.к. при перемешивании шлам-лигнина с препаратом в атмосферу выделяется аммиак, при дальнейшем окислении превращающийся в еще более токсичные оксиды азота. Необходимо учитывать также невозможность использования препарата при температуре менее 10°C, т.е. в холодный период года.
Другим предлагаемым способом обезвреживания шлам-лигнина является использование препарата «Агроионит». Согласно характеристикам производителя, «Агроионит» предназначен для использования «в качестве бесхлорного калийно-фосфорного удобрения, свойства которого повышают плодородие любого грунта и урожайность растений и в то же время не допускают попадание токсичных веществ в продукцию». Таким образом, целевое назначение «Агроионита» — повышение урожайности растений с одновременной защитой от токсичных веществ, но не обезвреживание отходов.
Хорошо известно, что ионный обмен и ионные взаимодействия с высокой скоростью и эффективностью проходят только в водных средах, тогда как лигнин представляет собой вязко- пластичную массу. Без высокой обводненности шлам-лигнина (более 80%) невозможно добиться однородности смешения препарата и отхода, тем более, задача утилизации отходов БЦБК заключается в их обезвоживании.

Т.е. при использовании «Агроионита» необходимо дополнительное внесении воды в пласты отхода влажностью менее 50%, что повлечет за собой многократное увеличение объема надшламовых вод и усложнение решения задачи.

«Агроионит» не меняет структурную формулу лигнина, не приводит к разрушению и окислению составляющих его фенолов и таким образом не решает целевую задачу проекта обезвреживания шлам-лигнина. Его применение возможно на заключительной стадии обезвреживания шлам-лигнина описанным ниже способом компостирования: путем смешивания полученного грунта с препаратом. Однако более эффективным и экономически выгодным вариантом является замена «Агроионит» дешевыми цеолитами, глауконитами или другими, имеющимися вблизи БЦБК, минералами и горными породами, например, слюдой.

Введение минералов или пород в шлам-лигнин до компостирования или в больших объемах в полученный почвогрунт позволит одновременно решить также задачи уменьшения токсичности тяжелых металлов и уменьшения щелочности отхода БЦБК.
Вторая предложенная технология — литификация. Принцип технологии заключается во введении шлам-лигнина в состав цементного раствора с последующим формированием в бетоноподобную массу.
Действительно, в производстве строительных материалов известно получение бетона с использованием лигносульфонатов. Для изготовления прочного бетона и надежной литификации лигнин должен быть низкомолекулярным. Перед введением лигнина в цемент с целью добиться прочности бетона лигнин необходимо окислить при помощи щелочи. При такой обработке шлам-лигнина возникает проблема утилизации щелочных растворов на БЦБК.
Канадскими и китайскими специалистами установлено, что лигнины с высокой молекулярной массой (каким является также и шлам-лигнин БЦБК) отрицательно сказываются на прочности бетона, создавая проблему его аэрации. Для создания прочного бетона максимальное количество лигнина составляет не более 0,5%, типовые концентрации колеблются в пределах 0.1-0.3% от массы цемента. Для литификации всей массы отходов «Солзанского» полигона БЦБК потребуется не менее 1 млн. т. портландцемента. При этом, на одну весовую часть смеси необходимо полторы весовых части донных отложений (1:1,5), т.е. общий объем литификата и планируемых монолитов возрастет на 60% по сравнению с имеющимся объемом шлам-лигнина.
В мировой практике литификация применяется для создания прочных грунтов под строящимися дорожными магистралями и завершается покрытием дорог асфальтом, т.е. защитой литифицированной поверхности от воздействия атмосферных осадков. В осенне-зимний и зимне-весенний периоды литификат лигнина будет подвергаться замораживанию-оттаиванию, что приведет к постепенному нарушению структуры монолита. Атмосферная влага и наличие органического материала в виде лигнина будет способствовать формированию биопленок микроорганизмов, а также выделению фенолов, состав и свойства которых неизвестны. Это может привести к загрязнению воздуха и грунтовых вод. Плюс, при движении земной коры, сдвигах и трении блоков друг о друга большая площадь литификата без связующих компонентов, подобных арматуре бетона, приведет к разрушению целостности монолитов.

Мировая практика подобной утилизации шлам-лигнина конкретного состава отсутствует. Прогнозировать результаты и последствия литификации такого отхода невозможно.
Третья технология — компостирование, которое является наиболее изученной, апробированной на практике технологией утилизации органических отходов промышленности, сельского хозяйства и бытовых отходов.
Оно позволяет получать технические грунты (компосты) V-класса опасности для рекультивации промышленных карьеров, отсыпки дорог, отвалов и других нарушенных земель.
Компостирование подразделяется на две основные фазы: термофильную (когда температура массы отхода повышается до 60°C благодаря микробиологической активности) и мезофильную, наступающую за термофильной, при которой температура компоста падает из-за прекращения деятельности микроорганизмов вследствие истощения субстрата питания.
Мировой практикой признано, что компостирование органики является наиболее экономически выгодным способом ее утилизации. Так как шлам-лигнин является производным продуктом природного лигнина, возможность его деструкции микроорганизмами (на чем и основан принцип компостирования) не вызывает сомнений. При этом, в качестве основных разрушителей древесины и лигнина сообщается о так называемой белой гнили, которую способны вызывать грибы родов Phanerochaete, Trametes и некоторых других. Разрушение древесины и деструкцию лигнина могут вызывать также представители класса Basidiomycetes, Armillaria, Chaetomium.
В сентябре 2021 г. были отобраны образцы отходов лигнина для выведения штаммов микроорганизмов, разлагающих лигнин. Используя биопленку с водной поверхности карты №1 и суспензию шлам-лигнина карты №3, путем селекции выделено два активных штамма бактерий, способных разлагать не только шлам-лигнин, но и другие фенольные полимеры, например, танниновую кислоту.

Один из штаммов, «холодный» — способен утилизировать лигнин при низких температурах (до 20°C), второй штамм, термофильный — разлагать шлам-лигнин при высоких температурах (40°C и выше). С использованием шлам-лигнина карт №4 и №9, выделены два штамма грибов, способных утилизировать шлам-лигнин при 20-30°C. Все бактерии и грибы выделены в чистую культуру и могут быть использованы при создании эффективных препаратов для переработки шлам-лигнина.

Для шлам-лигнина влажностью 75-95% общая технологическая схема производства работ при компостировании включает разработку его методом гидромеханизации и транспортирование пульпы по трубопроводной системе (пульпопроводу). После доставки пульпы на площадку АО «БЦБК» шлам-лигнин подвергается реагентной обработке с целью дальнейшего обезвоживания. Само обезвоживание происходит на площадке геотубирования.

При влажности шлам-лигнина менее 75% на полигоне он разрабатывается специализированной техникой (экскаваторами, бульдозерами), затем транспортируется на площадку с помощью технологического оборудования для транспортирования (например, трубчатого конвейера). В обоих случаях транспортировка может быть осуществлена и автомобильным транспортом с помощью самосвалов.
Технология механического обезвоживания в геотекстильных контейнерах (геотубах) заключается в предварительной обработке шлам-лигнина флокулянтом с дальнейшим его закачиванием в специальные емкости-контейнеры (геотубы), выполненные из фильтрующей геотекстильной ткани. Через стенки контейнера под собственным давлением выходит выделенная свободная вода, а твердые частицы удерживаются внутри.
Шлам-лигнин после обезвоживания в контейнере представляет собой тугопластичный материал, удобный для погрузки, транспортировки на участок компостирования.
Технология обезвоживания донных отложений в геотекстильных тубах является альтернативой обезвоживанию осадков на оборудовании механического обезвоживания. В отличие от этих методов обезвоживания ее использование позволяет резко сократить производственные площади и повысить санитарную гигиену и эстетику производства работ.

При применении геотуб для обезвоживания в зимнее время года в холодном климате циклы «замораживания-оттаивания» увеличивают эффективность обезвоживания. При транспортировке шлам-лигнина в виде пульпы исключается этап удаления надшламовой воды, т.к. она смешивается с осадком. Эта надшламовая вода (или вода из геотуб) отводится на очистные сооружения. Благодаря использованию флокулянта, а также фильтрации через геотекстиль, наличие коллоидных частиц резко уменьшается, показатель мутности падает. Обезвоженный шлам-лигнин вынимается из геотуб и далее поступает в крытый цех (ангар) компостирования.

Метод компостирования или механико-биологической обработки основан на термическом обеззараживании и деструкции шлам-лигнина с одновременным окислением органического субстрата ферментами микроорганизмов, содержащихся в самих отходах и привнесенных путем обработки массы микробиологическим препаратом.
Загрузка шлам-лигнина в ангар осуществляется последовательно самосвалами и фронтальными погрузчиками. Параллельно, в процессе формирования буртов, погрузчиком вносится дополнительный структурный материал и добавки для корректировки соотношения азот/углерод и влажности. Состав смеси гомогенизируется в процессе первого ворошения, для чего используется специальная машина – электрический рельсовый ворошитель компостных буртов. При этом, в состав смеси может вводится растительная масса, появляющаяся в виде отхода при очистке прибрежной поверхности карт, а также отходы корья, накопленные на ОАО БЦБК. Внесение микробиологического препарата осуществляется во время первого ворошения, либо через систему орошения с одновременным доувлажнением сырья (в летний период).
Компостируемая смесь посредством теплых полов и стен компостной ванны нагревается до температуры +10°C, после чего запускается процесс компостирования. Для насыщения компостируемой массы кислородом предусмотрено использование системы аэрационных полов, которая автоматически включается согласно заданному алгоритму для минимизации электрической нагрузки. Для воздухообмена, эффективного удаления и очистки газовоздушных выбросов до уровня ПДК, образующихся в ангаре, используется система вытяжной вентиляции с биофильтром.

Открытый биофильтр в наиболее простом исполнении представляет собой объемное сооружение, заполненное фильтрующим слоем — природным материалом (торф, щепа, корье), инокулированным микроорганизмами, через который по системе трубопроводов распределяется загрязненный воздух. Микроорганизмы, развиваясь на поверхности и в порах носителя, формируют биопленку, которая образуется благодаря усвоению газообразных загрязнителей воздуха – аммиака, метана и других. Использование биофильтров при компостировании обосновано требованиями ряда Федеральных законов об охране окружающей среды.

После термофильной фазы компостная масса вывозится из ангара и направляется на площадку мезофильной фазы, которая размещается на месте бывшей площадки геотубирования. Бурты на открытых площадках, сформированные с помощью ворошителя и укрывной машины, накрываются полупроницаемой мембраной с ламинированным многослойным покрытием для поддержания оптимального режима влажности и созревания компостной массы. Мембрана обеспечивает проницаемость для воздуха и паров воды, исключая выбросы в окружающую среду углеводородов, микроскопической пыли и микроорганизмов.
Полученный продукт – компост может использоваться для рекультивации нарушенных земель, отсыпки карьеров, отвалов, а также в качестве органического удобрения при соответствии техническим условиям.
Всего для утилизации 4 млн тонн шлам-лигнина необходимом построить 10 ангаров компостирования, что по времени может занять около 3 лет.

Преимущества технологии компостирования для обезвреживания шлам-лигнина в сравнении с другими заключаются в следующем:

  • изменяется структуры отхода и снижается его токсичность;
  • отсутствует воздействие на технологический процесс внешних погодных факторов;
  • контролируется процесс, в частности использованием систем аэрации, вентиляции, орошения, ворошения;
  • контролируются выбросы и осуществляется очистка воздуха и воды от токсичных веществ.
  • в основе технологии лежат природные микробиологические процессы;
  • конечный продукт отхода, компост, можно использовать повторно в целях рекультивации и как удобрение.
Таким образом, технология компостирования является наиболее соответствующей целям обезвреживания комплекса отходов ОАО БЦБК и требованиям охраны окружающей среды природной зоны озера Байкал.
Технология компостирования шлам-лигнина ОАО БЦБК успешно прошла опытно-промышленные испытания. В результате обезвреживания отхода получен компост V-го класса опасности (по заключению Росприроднадзора, протокол №АН85ОТ-22 от 09.03.2022). По заключению Россельхознадзора, компост из шлам-лигнина соответствует требованием к обеспечению безопасности и безвредности для человека и факторов среды обитания (протокол №56-2203/БА от 24.03.2022). Как показывает двухлетний опыт использования продукта, он является прекрасным субстратом для заселения естественной растительности, формирования безопасного ландшафта на территории Прибайкалья.

Кинз Тит Файевич

Руководитель проекта «Союз компост»

Дополнительные материалы:
Видео программы ОПИ по компостированию шлам-лигнина БЦБК
Байкал лигнин, часть 1 (сентябрь 2021)
Часть 2 (март 2022)
Часть 3 (июль 2022)
Выпуск 1