С ростом народонаселения планеты параллельно увеличивается и объем отходов производства и потребления различных продуктов. Наиболее актуальной сегодня является задача обезвреживания и утилизации органических отходов в аспекте загрязнения окружающей среды не только твердыми веществами, но и газообразными продуктами в виде углекислого газа, метана, окиси азота и др. Так, по данным Министерства сельского хозяйства Российской Федерации, общее количество сельскохозяйственных отходов превышает 600 млн. тонн, из которых около 60%приходится на отрасль животноводства и птицеводства. Согласно сведениям об очистке сточных вод на городских водоочистных сооружениях, ежегодно образуется более 100 млн. тонн осадка (ОСВ) естественной влажности. По данным различных источников, в результате деятельности только бывшего Байкальского целлюлозно-бумажного комбината накоплено 6 млн. тонн опасных отходов, в т.ч. в виде шлам-лигнина. При этом ежегодно накапливаются отходы нефтеперерабатывающих, химических и других предприятий страны. Эти данные заставляют искать экономически выгодные и экологически безопасные технологии обезвреживания подобных отходов, содержащих большую часть (более 45% сухого вещества) органических веществ и материалов.
Не будем излагать подробно все доступные технологии переработки органических материалов, учитывая специфику нашей работы. Важно отметить, что органическая составляющая, взятая из природы, а также синтетически созданные биополимеры, должны быть возвращены в экосистему для повторного использования или частичного восстановления.
При этом наиболее эффективным способом переработки будет получение продукта, например, удобрения, который используется как новый источник природных органических веществ. Одним из таких технологических способов, с учетом всего вышесказанного, является компостирование – аэробный процесс окисления кислородом воздуха и превращения органики с помощью микроорганизмов в продукт, называемый компостом.
Выбор технологии компостирования для предприятий, производящих органические отходы, действительно является важным вопросом. В настоящее время существует два основных вида компостирования и пять различных технологий с соответствующим оборудованием. Итак, виды и технологии компостирования.
Так как, по традиционному определению, компостирование – это аэробный микробиологический процесс окисления и превращения органики благодаря деятельности микроорганизмов, вернее, их ферментов, то, по сути, компостирование является процессом твердофазной ферментации. И чем мельче субстрат, тем быстрее происходит разложение органических веществ. На этом основании компостирование подразделяется на два вида:
– пассивное, при котором не происходит перемешивание и измельчение отходов;
– активное, с перемешиванием (ворошением) материала и с одновременным измельчением для усиления естественной аэрации.
Пассивное компостирование можно подразделить на компостирование без дополнительной аэрации и с искусственной аэрацией.
Для выбора технологии компостирования и, соответственно, оборудования необходимо оценить такие принципиальные факторы, как:
вид, объем и периодичность образующегося отхода;
источники энергии (электричество, газ, дизельное топливо, мазут) для осуществления компостирования;
климатические условия;
возможность реализации.
В качестве дополнительных, но не менее экономически важных факторов являются: расположение планируемого предприятия по переработке органики (удаленность от населенного пункта), логистика доставки сырья (отходов) и полученного компоста, возможность очистки стоков или вывоза на водоочистные сооружения и др.
Независимо от вида сырья для эффективного компостирования органики необходимо учесть оптимальные факторы деятельности микроорганизмов, влияющие на длительность процесса: оптимальная влажность отхода 65-70%; оптимальное значение pH 6,5-7,5; соотношение углерод:азот (С/N) (20-30):1; эффективная температура окружающей среды не менее +10°C; достаточное обеспечение кислородом воздуха (аэрация массы); хорошая гомогенность отхода (сырья).
Пассивные технологии компостирования
Первой, можно сказать, древней технологией компостирования является пассивное компостирование органических отходов на открытом воздухе в виде куч или буртов без искусственной аэрации (полевое компостирование). Требования к оптимальности упомянутых факторов могут соблюдаться лишь частично, что представляет собой один из основных недостатков данной технологии.
В соответствии с требованиями по охране окружающей среды, складирование органики производится на гидроизолированной (бетонированной) обвалованной площадке, или хотя бы с глиняным замком, исключающим попадание стоков в грунтовые и поверхностные воды (рис. 1). При этом выделяется санитарно-защитная зона в соответствии с классом опасности отхода. Масса не перемешивается или перемешивание массы осуществляется погрузчиком, бульдозером или экскаватором путем перекладывания компоста. Ускорение процесса может достигаться искусственной аэрацией, правда только в теплый период года. Бурты органики формируются треугольной формы для улучшения стока атмосферных осадков и аэрации, складируются с таким расчетом, чтобы между ними был технологический проезд для машин, что увеличивает размер компостной площадки. Время компостирования до получения зрелого компоста зависит от вида сырья, гомогенности массы, температуры окружающей среды и составляет от 45 дней в теплый период года и от 90 дней – в холодный. Влажность массы зависит от объема осадков, температуры окружающей среды, ветров. Такая технология требует минимальных капитальных затрат по сравнению с другими при тех же объемах отходов. При этом невозможно предотвратить или уменьшить выбросы в атмосферу аммиака, метана и других летучих веществ. Для сбора стока площадка может быть сформирована с уклоном в сторону специального бетонированного канала-сборника. Такая технология компостирования рекомендуется для использования в условиях только теплого климата, при минусовой погоде компост замерзает.
Рис. 1 Пассивное компостирование на открытой площадке
Вторая технология пассивного компостирования под мембранными укрытиями (мембранная технология) является оптимизацией первой, на основе использования специального искусственного укрывного материала в виде обычно трехслойной мембраны (например, GORE®Cover), не пропускающей атмосферные осадки сверху и задерживающей выделяющиеся от компостируемой массы летучие газообразные выбросы. Отходы погрузчиком или иным способом помещаются в бетонированные ванны со стенками, на которые крепится мембрана (рис. 2). Укрывают бурт с помощью укрывной машины. На дне ванны монтируются аэрационные каналы, а также каналы для сбора стока и фильтрата, который выводится в емкости-сборники. Ширина ванны (бурта) составляет 8 м, высота до 2 м, длина 20-50 м. Предусматриваются две основные фазы компостирования: термофильная (не менее 28 дней) и мезофильная (не менее 14 дней), итого - цикл 42 дня. Продолжительность зависит от вида сырья, его пористости, гомогенности и других факторов. После прохождения первой фазы компост перегружается в свободную ванну и вновь укрывается мембраной. После мезофильной фазы компост переносится на площадку дозревания. Масштабировать объем переработки отходов можно увеличивая количество ванн компостирования. Контроль параметров процесса осуществляется с помощью установленных на мембране датчиков, соединенных с системой управления аэрацией. Датчики температуры и кислорода находятся внутри бурта.
Температура в массе может регулироваться интенсивностью подачи воздуха (аэрацией). При определенных преимуществах перед полевым компостированием данная технология имеет и недостатки. Во-первых, необходима специальная мембрана, а для укрытия ею ванны - специальная укрывная машина. Во-вторых, в условиях холодного климата эффективность аэрации снижается, на поверхности мембраны при отрицательных температурах может ложиться снеговой или ледяной покров. Технология рекомендуется для гомогенных пористых отходов, образующихся с определенной периодичностью. Выделяется фильтрат в объеме 200 лит на 1 тонну органики, поэтому необходимо предусмотреть утилизацию органического фильтрата. Оптимальным является единовременная загрузка полностью всей ванны.
Рис. 2 Пассивное мембранное компостирование
Третья технология пассивного компостирования – туннельное компостирование, предусматривает полное исключение действия атмосферных осадков и других климатических факторов и происходит в так называемых туннелях. Туннель представляет собой удлиненную камеру из бетона, кирпича или иных материалов, с полной изоляцией от окружающей среды (рис. 3). Камера может располагаться внутри закрытого помещения или представлять собой отдельное сооружение. Подготовленная масса органики складируется внутрь камеры, в полу которой есть каналы аэрации и каналы для удаления стока и фильтрата. В полу камеры могут устанавливаться опрыскиватели для поддержания влажности субстрата. Компостирование осуществляют в туннельной камере с воротами, куда закладывают органические отходы. Камера оборудована напорным и вытяжным вентиляторами, системой напорных воздуховодов, пультом управления с таймером продувки и отверстиями для замера температуры и содержания кислорода в смеси. В холодное время воздух подогревается до +5С. Масса отхода загружается погрузчиком, компост выгружается тем же способом.
Для предотвращения вредных выбросов в атмосферу используют биофильтр. Выделяющиеся газы обезвреживаются иммобилизованными на древесной щепе микроорганизмами, способными усваивать преимущественно опасные газы. Технология туннельного компостирования имеет несколько преимуществ перед описанными выше. Она может использоваться в любых климатических условиях. Процесс компостирования не зависит от температуры окружающей среды если проходит в закрытых сооружениях (например, в ангарах). Основные параметры, включая и влажность могут контролироваться. Срок компостирования может сокращаться до 30 дней. Использование биофильтра исключает вредные выбросы в атмосферу и уменьшает санитарно-защитную зону. К основному недостатку относятся дорогие капитальные вложения на бетонные конструкции.
Недостатками всех трех перечисленных выше технологий пассивного компостирования является образования большого количества фильтрата и необходимость использования разрыхлителя для улучшения аэрации массы вязких и пастообразных отходов (куриный помет клеточного содержания, иловые осадки, осадок спиртовой барды и т.п.).
Рис. 3 Пассивное туннельное компостирование
Активные технологии компостирования
Первая и самая распространенная в сельском хозяйстве активная технология компостирования с ворошением буртов специальными машинами – ворошителями компостных буртов (рис. 4). Компостирование может осуществляться на открытых площадках, под навесом и в ангарах. Активное компостирование предусматривает периодическое ворошение и измельчение массы отхода, что улучшает доступ микроорганизмов к субстрату, активизирует процессы его разрушения, окисления и, в конечном итоге, превращения в гуминовые вещества.
Компостирование на открытых площадках требует создание твердого гидроизоляционного покрытия (бетон, асфальтобетон), обычно с небольшим уклоном для удаления стоков и атмосферных осадков. Ширина и высота бурта определяются маркой самоходных или прицепных ворошителей. При использовании прицепного ворошителя технологический проезд между буртами увеличивается. Длина бурта не является стандартной и определяется экономической и производственной целесообразностями. Активное ворошение буртов позволяет хорошо их аэрировать, измельчать субстрат, в результате процесс компостирования ускоряется в сравнении с полевым.
Срок компостирования зависит от погодных условий, что является основным недостатком этой технологии. В то же время объем перерабатываемых отходов может быть неограниченным. Исключить действие атмосферных осадков можно компостированием под навесом. При этой технологии, также как при полевом пассивном компостировании, невозможно предотвратить грязные выбросы в атмосферу, и для сбора дождевых стоков необходимо водоотведение в лагуны.
Рис. 4 Активное компостирование на открытой площадке и площадке с навесом.
Вторая технология компостирования в закрытых сооружениях позволяет полностью исключить действие климатических факторов (рис. 5). Увеличение капитальных затрат здесь окупается круглогодичным использованием технологии и независимостью от действия внешних факторов среды. Цех компостирования представляет собой ангар, оборудованный системой аэрации компостных буртов и вытяжной вентиляцией для удаления загрязненного воздуха из модуля через биофильтр с органическим наполнителем (опилки, щепа). Полы модуля гидроизолированные (бетон, асфальтобетон). В полах предусмотрены каналы с отверстиями для вентиляции буртов. В холодное время года воздух, поступающий под бурты, прогревается калориферами до температуры не менее +10°С, поэтому фильтрат не образуется. Загрузка отходов в ангар происходит в течение одного дня с помощью самосвала и погрузчика, выгрузка компоста - погрузчиком.
Размеры ангара определяются исходя из объема отходов и периодичности их поступления, требованиями строительных норм, а также маркой используемых дизельных гусеничных ворошительных машин. Под буртами укладываются воздуховоды с принудительной вентиляцией, включающейся автоматически при достижении выбросов значений ПДК, контролируемых газоанализаторами. Для контроля качества и условий компостирования ангар оборудуется соответствующими датчиками, показания которых передаются на автоматизированную систему управления. Такие же датчики устанавливаются в биофильтре и над ним. Цикл термофильной фазы составляет 10-14 дней в зависимости от вида отхода и возможности использовать биопрепараты, ускоряющие ферментацию сырья. Через 14 суток обеззараженная масса погрузчиком выгружается на участок мезофильной фазы.
Рис. 5 Активное компостирования в закрытых сооружениях (ангар), дизельный ворошитель.
В ангарах возможно также компостирование с использованием электрических рельсовых ворошителей (рис. 6). Основным преимуществом их использования является возможность в два раза увеличить объем загружаемых отходов в ангар компостирования за счет прямоугольной формы бурта по сравнению с дизельным ворошителями, где бурт треугольной формы, а также снизить уровень загрязнения воздуха. Движение ворошителя осуществляется за счет электродвигателя, сам ворошитель перемещается по рельсам, которые расположены на стенках бетонных ванн. Шнек ворошителя перемешивает компост и перекидывает массу назад, перемещая отходы с грязной зоны в чистую. При этом угол наклона шнека меняется, что позволяет как передвигать массу назад, так и двигаться ворошителю в обратном направлении без ворошения с приданием шнекам горизонтальной позиции. При ворошении происходит активная аэрация и испарение влаги.
Рис. 6 Активное компостирование в закрытых сооружениях (ангар), электрический винтовой ворошитель.
Другой простой рабочий механизм электрического ворошителя представляет вращающиеся лопатки (рис. 7). При этом масса отхода формируется в виде полосы высотой до 2 м. При подъеме барабана с лопатками ворошитель может возвращаться в исходную точку, не вороша массу отхода.
Рис. 7 Активное компостирование в закрытых сооружениях (ангар), электрический барабанный ворошитель.
Для компостирования органических хвостов ТКО, в которых содержится до 40% остатков инертных материалов, такие как ткань, полиэтилен, стекло и т.д., цепляющихся за лопатки барабана или наматывающихся на шнек электрического ворошителя, необходимо использовать ворошитель ковшового типа (рис. 8).
Рис. 8 Активное компостирования в закрытых сооружениях (ангар), электрический ковшовый ворошитель.
Пятая технология – компостирование «In-Vessel» (в сосудах) применяется при небольших объемах отходов, обычно менее 5000 т/год. Для этого используются емкости в виде горизонтально расположенного барабана (биобарабана), или вертикальной цилиндрической емкости (биореактора), или в прямоугольных контейнерах. Компостирование «In-Vessel» может включать три разных технологических способа:
типа «agitated bed» («колеблющийся слой») с периодическим ворошением (перемещением) массы отхода и периодической выгрузкой компоста;
типа «plug flow» («структурированный поток») с поточным (само)движением массы и с периодической выгрузкой компоста;
с периодической загрузкой и периодической выгрузкой массы без поточного движения внутри емкости.
Компостирование по типу «agitated bed» обычно производят в прямоугольном удлиненном контейнере, в котором с помощью шнека, вращающихся лопаток или иным способом масса в процессе компостирования перемещается от зоны загрузки к зоне выгрузки. Принцип устройства показан на рис. 9. Такая система, как и другие «In-Vessel», полностью контролируется по параметрам аэрации, температуры и влажности. Скорость и частота передвижения шнека, показанного на рисунке, а также угол наклона могут меняться по заданной программе или вручную. Емкость контейнера может составлять 30-40 м3. Такой контейнер используется обычно для компостирования массы с периодической загрузкой.
Рис. 9 Компост-бокс горизонтальный контейнерного типа.
Компостирование «In-Vessel» по технологии «plug flow» предусматривает использование горизонтальных биобарабанов или вертикальных силосов. Горизонтальный барабан (рис. 10) представляет собой цилиндрическую емкость с двумя стенками, внешняя из которых отделена от внутренней теплоизоляционным материалом. Диаметр барабана может составлять 3-4 м, длина 20-30 м. Активное компостирование происходит благодаря медленному вращению барабана, внутри которого есть ребра. Барабан вращается с определенной заданной скоростью, при котором отходы крошатся, стираются, что облегчает доступ микроорганизмов к субстрату. Внутрь барабана по воздуховодам подается воздух для аэрации массы. Загрузка массы органики осуществляется через люк. Выгрузка происходит в соответствующей зоне, и компост может одновременно просеиваться, если в конце этой зоны установлена сетка. Барабан сконструирован с заданным углом наклона, что предотвращает соприкосновение поступающих отходов с компостом, в результате чего масса плавно перемещается в направлении выгрузки. Отходящие газы и водяной пар обрабатываются системой дезодорации или удаляются через систему разгрузки в биофильтр.
Рис. 10 Компост - бокс горизонтальный барабанного типа .
Такое же устройство компостирования, в котором масса отхода может постоянно перемещаться сверху вниз, представляет собой вертикальный цилиндрический биореактор, внутри которого масса перемешивается вращающимися лопастями, в процессе компостирования постепенно падая вниз в зону выгрузки (рис. 11). Загрузка производится через верхний люк и может производиться с помощью транспортной ленты, шнекового конвейера, загрузчика. Устанавливается такая конструкция под навесом. Объем вертикального компостера может составлять от 5 до 100 м3, мощность электричества от 5 до 75 кВт.
Небольшой объем барабана, биореактора или контейнера позволяет строго контролировать технологический процесс. Цикл компостирования при такой технологии сокращается до 10 дней термофильной фазы и до 7 дней с выдержкой компоста на мезофильной фазе остывания.
Рис. 11 Компост-бокс вертикальный цилиндрического типа.
Таким образом, существуют два вида промышленного компостирования органических отходов: пассивное – без ворошения, но с возможностью искусственной аэрации, и активное – с периодическим или постоянным ворошением компоста. Во всех технологиях компост, как правило, должен просеиваться для отделения крупных и посторонних примесей. Компост может применяться как органическое удобрение или использоваться в процессе рекуперации материалов.
Все перечисленные технологии присутствуют на российском рынке. При выборе технологии учитываются такие параметры как морфология отходов, географическое положение предполагаемого объекта, объемы отходов. При реализации любой из этих технологий необходимо соблюдать санитарно-защитную зону. Обращайтесь, и мы проведем для вас консультацию, подберем ту технологию, которая подходит именно вам, подготовим техническую документацию. Затем вам останется только выбрать поставщика оборудования и запустить свой проект по компостированию.
Автор: Тит Кинз, эксперт по промышленному компостированию проекта «CompostPro»