Обезвреживание твердых бытовых отходов

Обезвреживание твердых бытовых отходов. Обезвреживание твердых бытовых отходов является наиболее важным элементом системы санитарной очистки населенных мест, так как именно на этом этапе отходы превращают в безвредный в эпидемическом и санитарном отношении субстрат. При неправильном оборудовании и эксплуатации очистных сооружений может ухудшиться эффективность обезвреживания твердых бытовых отходов и возникнуть условия для загрязнения окружающей среды (атмосферного воздуха, почвы прилегающих территорий, поверхностных и подземных вод) в месте их расположения. Поэтому очистные сооружения для обезвреживания твердых отходов являются одним из обязательных коммунальных объектов, за которыми врач медико-профилактической специальности должен осуществлять предупредительный и текущий государственный санитарный надзор, контролировать эффективность обезвреживания отходов.

Все методы и способы обезвреживания твердых отходов должны отвечать следующим основным гигиеническим требованиям.

1. Обеспечивать надежное обезвреживание, т. е. отходы должны превращаться в безвредный в эпидемиологическом и санитарном отношении субстрат. Твердые бытовые отходы эпидемически чрезвычайно опасны. Их коли-титр составляет 10"6—10~7, титр анаэробов — 10~5—10_6, микробное число достигает десятков и сотен миллиардов. В бытовых отходах наряду с санитарно-показательными микроорганизмами содержатся возбудители различных инфекционных болезней — патогенные и условно-патогенные бактерии, вирусы, яйца гельминтов. Особенно опасны отходы лечебно-профилактических учреждений, которые примерно в 10—100 раз более контаминированы микроорганизмами, чем бытовые.

2. Обеспечивать быстрое обезвреживание. Чем быстрее обезвреживаются отходы, тем лучше. Идеальным считается метод, который дает возможность обезвредить отходы за такой же период, в течение которого они образуются.

3. Твердые бытовые отходы являются самой благоприятной средой для развития мух, в частности домашней (Musca domestica), являющейся механическим переносчиком бактериальных загрязнений с отходов на пищевые продукты и предметы быта. Именно поэтому метод должен предотвратить откладывание яиц и развитие личинок и куколок мух как в отходах во время обезвреживания, так и в обезвреженном субстрате.

4. Предотвратить доступ грызунов в процессе обезвреживания отходов и превращения их в субстрат, неблагоприятный для жизни и развития животных.

5. Твердые бытовые отходы содержат значительное количество органических веществ (до 80%), из которых 20—30% в теплый период года легко загнивают, выделяя при этом зловонные газы: сероводород, индол, скатол и меркаптаны. Поэтому органические соединения, содержащиеся в твердых бытовых отходах, должны быстро превращаться в вещества, которые не загнивают и не загрязняют воздух.

6. В процессе обезвреживания отходов не должны загрязняться поверхностные и подземные воды.

7. Давать возможность максимально и безопасно для здоровья людей использовать полезные свойства твердых бытовых отходов, содержащих до 6% утиля. Во время их сжигания можно получать тепловую энергию, при биотермической переработке — органические удобрения, а пищевые отходы использовать для откорма животных.

Таким образом, метод обезвреживания твердых бытовых отходов должен обеспечивать быстрое и надежное превращение их в эпидемически безопасный субстрат, лишенный возможности размножения в нем мух и грызунов и пригодный для использования в качестве удобрения, и при этом не создавать опасности для здоровья населения, не загрязнять атмосферный воздух, поверхностные и подземные водоемы. В настоящее время существует свыше 20 таких методов и почти каждый из них имеет 5—10 разновидностей технологических схем и типов сооружений.

По конечному результату все методы обезвреживания твердых бытовых отходов разделяют на две группы: утилизационные (переработка отходов в органические удобрения, биотопливо; выделение вторичного сырья, например металлического лома, для промышленности; использование в качестве энергетического топлива) и ликвидационные (захоронение в землю, сбрасывание в моря, сжигание без использования тепла). По технологическому принципу методы обезвреживания разделяют на: 1) биотермические (поля запахивания, усовершенствованные свалки, полигоны складирования, поля компостирования, биокамеры, заводы биотермической переработки; в сельской местности в личных хозяйствах — компостные кучи, парники); 2) термические (мусоросжигательные заводы без или с использованием тепловой энергии, которая образуется при этом, пиролиз с получением горючего газа и нефтеподобных масел); 3) химические (гидролиз); 4) механические (сепарация отходов с дальнейшей утилизацией, прессование в строительные блоки); 5) смешанные.

Самыми распространенными как в мире, так и в странах СНГ, являются биотермические и термические методы обезвреживания твердых бытовых отходов. Все большее предпочтение отдают утилизационным методам. Так, в конце XX в. во Франции, Швейцарии, Голландии с помощью биотермических методов с дальнейшим использованием компоста обезвреживали 15% твердых бытовых отходов, в Англии и ФРГ — 5%. На мусоросжигательных станциях ФРГ сжигали ежегодно почти 28% отходов, во Франции — 35%, в странах ЕЭС — в среднем 23%, в Японии — 65%. Причем, приблизительно пятую часть сжигаемых отходов использовали для получения тепла.

Биотермические методы. Классическим почвенно-биологическим методом обезвреживания твердых бытовых отходов является обезвреживание на полях запахивания. Поля запахивания — земельные участки, на поверхность которых толщиной 5—10 см насыпают твердые бытовые отходы (норма нагрузки — 400 т/га), а затем запахивают. Полная минерализация органических веществ твердых отходов при таких условиях происходит медленно — в течение 2 лет, после чего на этом же поле можно выращивать сельскохозяйственные культуры. Оценивая этот метод, следует отметить, что он все же не отвечает изложенным выше требованиям. Хотя в почве за 2 года при соблюдении норм нагрузки и минерализуется органическая часть отходов, почва загрязняется бумагой, стеклом, металлом, а поверхность участка пригодна для размножения мух. Поэтому метод не нашел широкого применения на практике.

Наиболее распространенными являются биотермические методы, отвечающие всем указанным требованиям, а именно обезвреживание твердых бытовых отходов на полях компостирования, усовершенствованных свалках, в биотермических камерах, а также ускоренные индустриальные методы биотермического обезвреживания в установках фирмы "Дано", многоэтажных ферментационных башнях, биотенках, метод капиллярной сушки и др.

Биотермическое обезвреживание позволяет решить две задачи: 1) разложить сложные органические вещества отходов и продуктов их метаболизма (мочевину, мочевую кислоту и др.) на более простые соединения с тем, чтобы в дальнейшем при помощи специальных микроорганизмов, в присутствии кислорода воздуха, синтезировать новое устойчивое и безопасное в санитарном отношении вещество — гумус; 2) уничтожить вегетативные формы патогенных и условно-патогенных бактерий, вирусы, простейшие, яйца гельминтов, яйца и личинки мух, семена сорняков.

Эти задачи решаются следующим образом. На очистные сооружения или в почву с отходами поступают сложные органические вещества растительного и животного происхождения — белки, жиры и полисахариды, а также продукты их обмена — аминокислоты, мочевина, мочевая кислота, моносахариды (глюкоза) и жирные кислоты. Первый этап (I фаза) биотермического процесса начинается с использования именно этих простых органических веществ, так как через оболочку микроорганизмов большие молекулы белков, жиров и углеводов проникнуть не могут, а проникают лишь их составные части в виде аминокислот, глюкозы, жирных кислот и пр. Такие простые соединения составляют почти 30% органических веществ бытовых отходов. Именно они проникают внутрь микробной клетки через ее оболочку и могут использоваться как энергетический и пластический материал. Таким образом, биотермический процесс обезвреживания отходов начинается с того, что аминокислоты, глюкоза, жирные кислоты животного и растительного происхождения, содержащиеся в отходах, используются некоторыми микроорганизмами как пластический и энергетический материал. В результате указанного процесса выделяется энергия, и температура отходов повышается до 40—45 °С. Именно поэтому I фаза биотермического процесса обезвреживания отходов получила название фазы повышения температуры, а микроорганизмы, которые инициируют этот процесс, — мезофилов.

Когда температура отходов достигает температурного максимума мезофилов (40—45 °С), мезофилы отмирают, и начинается интенсивное развитие другого вида микроорганизмов, с другим температурным максимумом (75 °С), т. е. термофилов. С гигиенической точки зрения эта фаза биотермического процесса представляет наибольший интерес.

Следовательно, под действием экзоферментов термофилов разрушаются сложные органические молекулы отходов и отмерших мезофилов до простых веществ. Аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды термофилы используют как пластический и энергетический материал, что обусловливает увеличение их массы.

2 фаза биотермического процесса, в отличие от I фазы, характеризуется стационарно высокой температурой (60—70 °С), которая держится от 1 (при ускоренных индустриальных методах биотермического обезвреживания) до 30—60 сут в биокамерах и до 1 года — в компостах. Поэтому эта фаза получила название фазы стационарных температур (фазы биотермического процесса изображены на рис. 66). Продолжительность II фазы процесса гумификации органических веществ отходов может составлять от 1 сут (при искусственно ускоренных методах биотермической переработки) до 3—4 нед, а иногда и от нескольких месяцев до 1 года (при естественных методах).

В нагретой в результате жизнедеятельности термофилов массе отходов при температуре 70—75 °С гибнут микроорганизмы, в том числе патогенные и условно-патогенные, яйца гельминтов, яйца и личинки мух, семена сорняков. При повышении температуры до 75 °С и ограничении количества органических веществ отходов (вследствие разрушения и использования микроорганизмами) размножение термофилов замедляется, и они начинают отмирать.

Наступает 3 фаза биотермического процесса. Отмирание термофилов сопровождается постепенным снижением температуры. Новые температурные условия и ограничение количества легко окисляющихся органических веществ способствуют развитию мезофилов особого вида. Эти мезофилы отличаются от действующих в I фазе тем, что способны расщеплять трудно разрушаемые вещества, — легнины.

Сложное органическое вещество, синтезированное мезофила и термофила в I—III фазах биотермического процесса, получило название гумуса, а сам процесс — гумификации. Гумус с трудом, лишь под влиянием некоторых видов почвенных бактерий, поддается процессам минерализации и нитрификации, и поэтому он не способен загнивать, не издает зловония, не привлекает мух, грызунов и является неблагоприятной средой для их развития. Гумус перестает быть объектом внимания гигиенистов и эпидемиологов и приобретает значение лишь с сельскохозяйственной и агрохимической точек зрения — как органическое удобрение.

Скорость и направление течения биохимических процессов, а следовательно, и эффективность биотермического метода обезвреживания твердых бытовых отходов зависят от многих факторов, как положительных, так и отрицательных. К таким факторам относятся:

1. Аэрация отходов. Это один из основных факторов, влияющих на эффективность биотермического процесса. Установлено, что при биотермическом разложении органических веществ в аэробных условиях образуется примерно в 25—30 раз больше энергии, чем в анаэробных. Так, при аэробном окислении 1 моля глюкозы образуется 2830 кДж (674 ккал) энергии, а при распаде 1 моля глюкозы в анаэробных условиях — лишь 113 кДж (27 ккал). Из этого следует важный вывод: преимущество необходимо отдавать таким методам, которые обеспечивают достаточную аэрацию отходов, а именно: на 1 объем отходов следует подавать 25 объемов воздуха.

2. Влажность отходов. Без достаточного количества влаги, как и при ее избытке, биохимические процессы протекать не могут. Мезофилы и термофилы, ответственные за биотермические процессы, состоят на 85% из воды, которая играет важную роль в жизнедеятельности микробной клетки. Поэтому, если влажность отходов менее 30%, то микроорганизмы теряют способность размножаться и даже гибнут. В то же время при избытке влаги ухудшается аэрация отходов, так как вода и воздух являются антагонистами. Если влажность отходов более 70%, то вода препятствует поступлению кислорода воздуха к органическому веществу отходов и поверхности микроорганизмов, т. е. создаются анаэробные условия. Таким образом, для эффективного течения биохимических процессов необходимо, чтобы влажность твердых бытовых отходов составляла не менее 30% и не более 70%. Если влажность отходов находится за пределами этих величин, биотермические процессы замедляются. Следовательно, при обезвреживании отходов необходимо соблюдать указанные параметры влажности: в случаях, когда влажность отходов менее 30%, отходы следует искусственно увлажнять; когда же она более 70%, — необходимо оборудовать устройства для ее уменьшения.

3. Содержание в отходах легко загнивающих органических веществ. Для успешного течения биохимических процессов количество таких органических веществ в отходах должно быть не менее 30%, а неорганических соединений — не более 25%) от общей массы. Из качественных показателей состава органических веществ большое значение имеет соотношение углерода и азота. Наиболее благоприятным является их соотношение 30:1.

4. Размер частиц отходов. Установлено, что измельчение твердых отходов способствует интенсификации биохимических процессов. Однако это измельчение не должно быть беспредельным: оптимальный размер частиц должен составлять 25—35 мм. При таком размере частиц отходов увеличивается площадь их активной поверхности, т. е. площадь контакта органического вещества отходов с кислородом воздуха и микроорганизмами, что ускоряет биохимические процессы. В то же время при значительном измельчении (размер частиц менее 25 мм), значительно уменьшается объем каждой отдельной поры, в результате чего ухудшается аэрация отходов.

5. Активная реакция (pH) отходов. Оптимальной для развития микроорганизмов является pH, которая приближается к нейтральной, т. е. находится в пределах 6,5—7,6.

6. Степень исходной контаминации (обсемененности) отходов мезофилами и термофилами. Чем она выше, тем быстрее развивается процесс. Для интенсификации процесса необходимо искусственно обсеменять отходы термофилами.

7. Температурные условия. Чем быстрее будет повышаться температура в толще отходов, тем надежнее произойдет биохимический распад органических веществ и отмирание патогенной микрофлоры. Поэтому необходимо предотвратить потерю тепла очистными сооружениями (особенно в холодный период года), а в ряде случаев производить подогрев отходов горячим воздухом, подаваемым в установки.

Как пример использования биотермического метода рассмотрим некоторые его варианты и сооружения.

Наиболее простым методом биотермического обезвреживания и переработки отходов на гумус, распространенным во многих странах мира, является компостирование. Обязательными условиями использования этого метода является достаточное (не менее 25%) содержание в отходах легко загнивающих органических веществ, и влажность отходов в пределах 30—65%. Некоторые отходы не разрешают компостировать. Это, во-первых, отходы из лечебно-профилактических учреждений и субпродукты из ветлабораторий (из-за эпидемической опасности); во-вторых, отходы, содержащие примеси радиоактивных и токсических веществ, в том числе ядохимикатов, дезинфицирующих средств, смол и гудрона.

Оборудование и эксплуатация сооружений для компостирования твердых бытовых отходов зависят от места их расположения: за пределами населенного пункта, в населенном пункте или на индивидуальном приусадебном участке.

Для обезвреживания отходов на приусадебном участке их укладывают в компостные кучи. Этот простой метод впервые был применен в Индии в провинции Индор. В научной литературе он получил название индор-метода. Сущность индор-метода заключалась в следующем. Бытовые отходы складывали на 20-сантиметровый слой веток в штабеля высотой 1—1,5 м. Вместе с бытовыми отходами закладывали опавшие листья, солому, ботву. Штабеля поливали водой для увлажнения, а через неплотно сложенные ветки в толщу отходов поступал воздух.

Компостирование отходов на приусадебных участках в компостных кучах раньше широко применяли и для обезвреживания отходов непосредственно на месте их образования, т. е. отпадала необходимость в их транспортировке. Кроме того, через 1—1,5 года компост можно было использовать в качестве удобрений. Компостные кучи на приусадебных участках оборудовали на расстоянии не менее 20 м от дома и колодца. Чтобы компостную кучу не заливали атмосферные осадки, участок выравнивали, утрамбовывали слоем (20—25 см) жирной глины, обводили канавкой, иногда накрывали тентом. Отходы в компостной куче укладывали послойно: каждый слой отходов толщиной 15 см засыпали слоем готовой компостной массы или почвы. После закладывания отходов компостную кучу оставляли дозревать. Но биотермическое обезвреживание отходов в компостной куче происходило очень медленно, процесс гумификации завершался лишь через 1—1,5 года. Описанный способ компостирования бытовых отходов не вполне отвечает гигиеническим требованиям. Он не обеспечивает надежного санитарного эффекта, так как на каждом дворе за оборудованием и эксплуатацией компостных куч тяжело осуществлять санитарный надзор. Поэтому в настоящее время, независимо от размеров населенного пункта, компостирование отходов на приусадебных участках не разрешено. Исключением являются лишь объекты, расположенные за пределами населенного пункта (санатории, спортивные лагеря, лагеря отдыха и др.).

Современным методом является централизованная биотермическая переработка бытовых отходов на полях компостирования, куда отходы вывозятся со всего населенного пункта или с его определенной части. Поля компостирования размещают за пределами населенного пункта на специально отведенных земельных участках. Площадь территории под поля компостирования определяют из расчета 2 га на каждые 10 тыс. населения. Санитарно-защитная зона (разрыв между полем компостирования и селитебной частью города) должна составлять 500 м. Территория полей компостирования должна быть ровной, с незначительным естественным уклоном. Вокруг нее копают канаву с валом для отведения воды, со всех сторон обсаживают параллельными рядами лесополос.

На полях компостирования твердые бытовые отходы укладывают штабелями длиной 25—30 м, шириной внизу 3—4 м, вверху 2—3 м и высотой 1,5—2 м (рис. 67). Вертикальное сечение штабеля имеет вид трапеции. Размещают штабеля параллельными рядами с расстоянием между ними не менее 3 м. Их оборудуют или на поверхности почвы, или в неглубоких (до 0,5 м) траншеях, но так, чтобы нижний слой компостной массы был на расстоянии не менее 1 м от уровня залегания фунтовых вод. В основании штабеля укладывают 10—15 см торфа, перегноя или компоста. Отходы укладывают без уплотнения сразу на полную высоту с постепенным формированием штабеля в длину. Для ликвидации запахов, сохранения тепла и предотвращения размножения мух поверхность штабеля накрывают слоем земли или торфа толщиной 15—20 см. Можно использовать и перфорированную полиэтиленовую пленку толщиной 1 мм.

В штабелях, заложенных в весенне-летний период, саморазогревание и распад органических веществ начинается через 3—5 сут. Зимой процесс повышения температуры тормозится, и распад органических веществ активизируется через 25—30 сут после укладывания отходов. При этом температура повышается до 60—70 °С и держится в таких пределах 15—20 сут, а затем снижается до 40—45 °С и сохраняется на этом уровне 2—4 мес. Далее она находится в пределах 30—35 °С. Продолжительность обезвреживания отходов — от 5 мес до 1,5 года в зависимости от климатических условий местности.

Компост, образовавшийся в конце обезвреживания отходов на полях компостирования, является безопасным в санитарном и эпидемическом отношении, т. е. имеет коли-титр не менее 1, санитарное число — от 0,98 до 1, яйца гельминтов в нем отсутствуют. При таких условиях компост можно использовать как органическое удобрение. Перед отправкой потребителю его следует очистить от крупногабаритных фракций и черного металла.

Преимущества метода обезвреживания на полях компостирования заключаются в его санитарно-эпидемической надежности, возможности применения методов интенсификации для ускорения биотермического процесса, получении органического удобрения и облегчении санитарного надзора за обезвреживанием твердых бытовых отходов. Недостатками метода являются значительная продолжительность процесса обезвреживания и необходимость отведения больших по площади земельных участков под поля компостирования.

Различают компостирование в штабелях без предварительной обработки отходов и с предварительной обработкой. Последняя дает возможность ускорить процесс компостирования и состоит в предварительном измельчении и брожении отходов. Кроме того, для ускорения биотермического обезвреживания отходов на полях компостирования используют такие методы интенсификации процесса, как перелопачивание, увлажнение, аэрацию.

Сущность компостирования в штабелях с предварительным измельчением состоит в следующем. Отходы сначала собирают в бункере, а затем при помощи транспортера подают на сита диаметром 32 мм для выделения мелких фракций. Крупные фракции отходов, задержавшиеся на ситах, направляют на дробилку. Измельченный материал снова просеивают через сита, увлажняют до 40—60% и складывают в штабеля. Такая предварительная обработка отходов ускоряет биотермический процесс обезвреживания до 9 нед.

При условии интенсификации компостирования перелопачиванием и увлажнением процесс биотермического обезвреживания протекает в несколько циклов. Сначала бытовые отходы после выгрузки поливают осадком сточных вод. Через 3 сут формируют штабеля высотой 1 м и шириной 2—3 м и выдерживают в течение 1 мес (первый цикл). Затем отходы снова перелопачивают и делают новые штабеля (второй цикл). Через 30 сут операцию повторяют. Общий срок обезвреживания отходов — 3 мес.

Метод компостирования в штабелях с интенсивной аэрацией (Баден-Баден) был предложен в Германии. При этом каждый штабель оборудуют системой организованной циркуляции воздуха, для чего в его основании прокладывают перфорированные бетонные трубы, через которые вентилятор удаляет воздух из штабеля и подает его в печь, где его используют для сжигания крупногабаритных отходов. Компост, образовавшийся в штабелях, применяют как органическое удобрение. Перед тем как отправить компост потребителю, его очищают на грохоте от крупногабаритных фракций и на электромагнитном сепараторе — от черного металла.

К методам биотермического обезвреживания отходов относится бескамерный метод с направленной аэрацией (Монеса). Обезвреживают отходы в специальной траншее глубиной 3—4 м и шириной на уровне дна — 2—3 м. На дне траншеи уложены аэрационные каналы с аэраторами, выступающими на 1-—1,5 м над поверхностью земли. Отходы без уплотнения помещают в траншею. Заполненную траншею изолируют слоем почвы толщиной 25—30 см. В течение нескольких суток воздух, содержащийся в щелях и порах в толще отходов, нагревается до высокой температуры. Температурный градиент между воздухом в траншее и атмосферным значительно увеличивается, что усиливает естественную тягу и ускоряет движение воздуха в вентиляционной системе траншеи. Усиленная аэрация способствует дальнейшему развитию биотермического процесса, который завершается в течение 55—65 сут.

Биотермические камеры предназначены для обезвреживания бытовых отходов и превращения их в компост закрытым методом. Предусматривают возможность регулирования биотермического процесса путем организации оптимального температурного и аэрационного режима, благодаря чему удается сократить срок обезвреживания отходов до 40—60 сут, а при искусственном подогревании — до 12—20 сут.

Аэрационные бродильные камеры, получившие название биотермических, или биокамер, были предложены в 1912 г. инженером Беккари. Соорудили их во многих городах Западной Европы — Флоренции, Падуе, Неаполе, Милане, Париже, Марселе и др. Так, в 20-е годы XX в. во Флоренции обезвреживали твердые бытовые отходы в 204 камерах мощностью 100 т/сут каждая. Оборудовали их на расстоянии 2300 м от города. Сегодня биокамеры используют, ограниченно, в большинстве случаев для обезвреживания отходов, образовавшихся в отдельно расположенных объектах (санаториях, лагерях отдыха и т. п.). Санитарно-защитный разрыв между биокамерой и жилыми, общественными зданиями должен составлять 300 м.

Биокамеры сооружают из кирпича, бетона или сборных железобетонных конструкций вместимостью 2—20 м3, высотой 2,5—3 м, прямоугольного сечения (рис. 68). Пол камеры должен быть водонепроницаемым и иметь уклон 0,01 % в сторону лотков для отведения жидкости, образующейся из отходов в процессе компостирования (10—15% от массы отходов). На высоте 15—20 см от пола размещают решетки, на которые загружают отходы через специальные люки в верхнем перекрытии. Для поступления воздуха под решетками в цоколе камеры делают вентиляционные отверстия. Внутри камеры сооружают аэраторы для воздухообмена в толще отходов. Эти аэраторы представляют собой асбестоцементные трубы с отверстиями по всей поверхности. Нижним, открытым, концом аэраторы установлены на решетки, а верхним, закрытым, — выведены под перекрытие камеры. Вдоль стен камеры оборудованы пристенные "козырьки" для передвижения воздуха. Над верхним перекрытием должен находиться вентиляционный стояк для отведения воздуха из камеры. Разгружают камеру через двери в одной из стен.

Оптимальным является одновременная загрузка биокамеры или загрузка в течение не более 4 сут. При этом через 2—3 сут после загрузки начинается разогревание отходов; на 5—10-е сутки температура достигает 65—70 °С и держится на этом уровне 25—30 сут. Компостирование продолжается 40 сут летом и 60 сут зимой. Для ускорения процесса до 12—20 сут в биокамеры подают искусственно подогретый воздух из калориферов или соседних камер, где отходы уже разогрелись. Продолжительность обезвреживания уменьшается при условии добавления в камеру готового компоста (20—30 л) и перемешивания отходов каждые 10 сут. Одновременная загрузка требует большого количества камер, и поэтому чаще всего оборудуют двухсекционные камеры текущего накопления.

Усовершенствованные свалки, или высоконагружаемые полигоны захоронения бытовых отходов, были предложены Академией коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова в середине XX в. в период перехода от естественных биологических почвенных к индустриальным методам обезвреживания отходов. Во второй половине XX в. таким спопобом утилизировали до 80% твердых бытовых отходов во многих развитых странах мира.

Усовершенствованные свалки располагают за пределами населенного пункта, ниже по течению водоема на специально отведенных земельных участках с уровнем залегания грунтовых вод не ближе 1 м от поверхности земли. Если территория имеет сложный рельеф, ее выравнивают путем укладывания отходов, но при этом необходимо предусмотреть, чтобы не было поверхностного стока с усовершенствованной свалки в сторону города и водоема. Для предупреждения поступления поверхностных вод на территорию усовершенствованной свалки вокруг земельного участка создают нагорную канаву. Территорию ограждают забором и со всех сторон высаживают в два рядами деревья. СЗЗ должна составлять 500 м.

На территории усовершенствованной свалки бытовые отходы укладывают на специально подготовленную водонепроницаемую основу толщиной не менее 0,5 м. Это могут быть уплотненные естественные глинистые и суглинистые почвы участка или искусственно созданная основа. Отходы укладывают рабочими слоями высотой 1,5—2 м, которые перекрывают промежуточными изолирующими слоями почвы (рис. 69). Во время формирования первого рабочего слоя отходы выгружают из мусоровозов на подготовленную основу, разравнивают слоем 0,2—0,3 м и уплотняют бульдозерами. На уплотненный слой отходов укладывают следующий слой толщиной 0,2—0,3 м, который также разравнивают и уплотняют. Формируют рабочий слой общей высотой 1,5—2 м, после чего в теплый период года ежесуточно, а в холодный — один раз в 2—3 сут рабочий слой отходов засыпают почвой слоем 0,25 м. Почву берут непосредственно с территории свалки или привозят со строительных площадок. Целесообразно использовать хорошо уплотненные суглинистые и супесчаные почвы с влажностью 30—50%. Можно воспользоваться строительным мусором, шлаком, уличным сметом. На промежуточный изолирующий слой почвы укладывают рабочий слой отходов высотой 1,5—2 м. Общее количество слоев зависит от проектной высоты свалки, после достижения которой последний рабочий слой отходов засыпают окончательным изолирующим слоем почвы толщиной 1 м. Тщательная изоляция отходов слоями почвы с уплотнением препятствует размножению мух и грызунов, предотвращает загрязнение атмосферного воздуха.

В толще усовершенствованной свалки происходит медленное анаэробное разрушение органических веществ отходов. При этом температура повышается до 30—36 °С, образуются газообразные вещества (метан, углерода диоксид и др.) и специфическая жидкость, отмирают патогенные микроорганизмы и яйца гельминтов. Фильтрат, образовавшийся из отходов во время эксплуатации полигонов и содержащий высокие концентрации загрязнителей, отводят при помощи дренажных канав на сооружения биологической очистки. Следует подчеркнуть, что обезвреживаются и минерализуются отходы даже в поверхностных слоях усовершенствованной свалки чрезвычайно медленно, в течение 15—25 лет после ее закрытия.

Наиболее современным биотермическим методом обезвреживания твердых бытовых отходов является индустриальное, или заводское, биотермическое компостирование, при котором технологический процесс переработки отходов на органическое удобрение осуществляется под влиянием аэробной микрофлоры при оптимальных условиях увлажнения и аэрации. Полученный при этом компост безвредный для окружающей среды и безопасный для здоровья населения, в том числе лиц, контактирующих с ним во время сельскохозяйственного использования. К индустриальным биотермическим методам относится компостирование отходов без предварительной обработки во вращающихся барабанах и предварительно измельченных в камерах.

Биотермическое обезвреживание неподготовленных отходов во вращающемся барабане происходит в течение 5—6 сут. Ускорение процесса компостирования достигается благодаря измельчению, искусственной аэрации и перемешиванию отходов в барабане, который медленно вращается вокруг длинной оси со скоростью 6—7 оборотов в 1 час. Кроме того, этому способствует поддержание высокой температуры в барабане путем его термоизоляции для уменьшения теплозатрат и обеспечения непрерывного производственного цикла, который предусматривает постоянную загрузку и разгрузку барабана.

Метод компостирования отходов во вращающихся барабанах — дано-био-стабилизатор — разработан фирмой "Дано" (Дания). Его используют почти на 100 заводах мощностью от 5 до 300 т отходов в сутки во многих странах мира: Бельгии, Англии, Дании, Франции, Германии, Бразилии и др. Технологическая схема этого метода изображена на рис. 70, а.

Отходы загружают в приемный бункер, грейферным краном подают на ленточный транспортер. Они проходят магнитный сепаратор для удаления металлических предметов, при необходимости их увлажняют водой или канализационными осадками и направляют в барабан-биостабилизатор, расположенный горизонтально или с незначительным наклоном в разгрузочную сторону. Барабан длиной 20—25 м и диаметром 3—3,5 м заполняют на 80% объема, что дает возможность отходам перемешиваться и измельчаться во время вращения барабана, которое происходит со скоростью 6,6 оборотов в 1 ч. Непрерывное поступление воздуха в барабан обеспечивает активную аэрацию отходов. Они быстро нагреваются до 6Q—65 °С и через 5—6 сут превращаются в компост. За это время компостируемая масса продвигается в барабане благодаря наклону или специально оборудованным внутренним ребрам в разгрузочную сторону. Выгружают компост одновременно с загрузкой отходов при постоянном вращении барабана со скоростью 42 оборота віч. Выгруженный компост ленточным транспортером подают на виброгрохот для удаления крупных фракций и на сепаратор для удаления стекла.

К индустриальным методам компостирования предварительно измельченных отходов в камерах относятся биотенк-метод, методы с использованием многоэтажных ферментаторов (Джерси, Кореля и Фуше, Фрезера—Иверсона), методы Мультибакто (Ирп-Томас), Пика и капиллярной сушки (Бриколяр). Линия для предварительной обработки отходов при всех указанных методах стандартна и состоит из: приемного бункера; магнитного сепаратора для удаления металлических предметов; грохота для разделения отходов на фракции, которые могут быть направлены на компостирование сразу, и такие, которые нуждаются в измельчении; дробилки; иногда — смесителя для перемешивания отходов с осадком сточных вод. Передвижение отходов между указанными элементами осуществляется ленточными транспортерами; из бункера на ленточный транспортер отходы подают грейферные краны.

По биотенк-методу, который был предложен и внедрен во Франции, компостируют измельченные отходы на специальной площадке (рис. 70, б). Она имеет вид бетонного кольца, диаметр которого зависит от количества отходов, продолжительности компостирования и складирования компоста. Вдоль оси бетонного кольца проложен аэрационный трубопровод. Бетонное кольцо имеет борта высотой 0,5 м, по которым проложены рельсы. По рельсам передвигается легкое купольное укрытие — биотенк. Это укрытие состоит из двух частей: передней — валообразователя и задней — бродильной. Валообразователь имеет несколько меньшее поперечное сечение, чем бродильная часть. Передняя часть валообразователя закрыта торцевой стенкой. Задний торец бродильной части открыт.

Измельченные отходы стационарным (неподвижным) транспортером подают в центр бетонного кольца и пересыпают на передвижной транспортер, один конец которого закреплен в центре, а другой движется вместе с укрытием. Передвижной транспортер подает отходы в приемник валообразователя, где предусмотрено приспособление для увлажнения. После увлажнения отходы попадают на бетонное кольцо, а валообразователь формирует из них вал в виде полукруга радиусом не более 7 м для обеспечения равномерной аэрации толщи отходов через аэрационный трубопровод. Поскольку биотенк передвигается, после валообразователя сформированный вал отходов закрывает бродильная часть. Через 18 сут из открытого конца бродильной части получают готовый компост.

По методам Джерси (Англия), Кореля и фуше (Франция), Фрезера—Иверсона (США) измельченные отходы компостируют в многоэтажных ферментаторах (рис. 71). Вертикальным элеваторным транспортером их подают на верхний этаж шестиэтажной прямоугольной башни. Перекрытия между этажами образуют жалюзийные решетки. Когда их открывают, компостируемая масса пересыпается на расположенный ниже этаж. На каждом этаже массу выдерживают в течение 1 сут. Аэрация происходит за счет градиента температур воздуха в башне и в окружающей среде (естественная тяга): воздух поступает в нижний этаж башни и продвигается вверх. Но при необходимости (для компостирования отходов вместе с осадком сточных вод) возможна искусственная аэрация. Размещение компостируемой массы на жалюзийных решетках дает возможность предупредить ее переуплотнение. Во время передвижения массы вниз по этажам концентрация кислорода в воздухе увеличивается в зависимости от интенсивности процесса. Поэтому на каждом этаже башни происходит определенная стадия компостирования, особенно при условии искусственной инокуляции термофильными микроорганизмами. На нижнем этаже компостируемая масса стабилизируется и подсушивается за счет поступления большого количества чистого, богатого кислородом воздуха.

Принципиальным отличием метода капиллярной сушки (Бриколяр) является использование для обезвреживания отходов не только микроорганизмов, но и плесневых грибов, принимающих участие в разложении органического вещества отходов, стабилизирующих конечный продукт и оказывающих антибиотическое действие. Технологическая схема метода приведена на рис. 72. Отходы из приемного бункера грейферным краном или транспортером направляют на магнитный сепаратор, измельчают в рашпильной дробилке, перемешивают в смесителе с обезвоженным осадком сточных вод (влажность конечного продукта должна составлять приблизительно 53%) и под давлением 30 атм прессуют в брикеты без нарушения капиллярной структуры и обезвоживания. Брикеты укладывают в сушильные камеры, в которых быстро развиваются биотермические процессы. Температура повышается до 65 °С внутри и 55 °С по периферии. Сушка длится почти 4 нед. Влажность при этом уменьшается до 10%. Завершается активная стадия биотермического процесса, снижается температура, и брикеты насквозь прорастают и покрываются грибами. Капиллярная структура брикетов обеспечивает свободное поступление воздуха и течение микробиологических процессов в аэробных условиях. Высушенные брикеты после увлажнения и измельчения можно использовать как органическое удобрение.

Термические методы. К термическим методам обезвреживания отходов относятся мусоросжигание и пиролиз.

Мусоросжигание является одним из перспективных, быстрых и радикальных методов обезвреживания твердых бытовых отходов. Его проводят в специальных печах-деструкторах при температуре 900—1000 °С, при которой разрушаются почти все органические твердые, жидкие и газообразные соединения. Отходы с влажностью до 60%, зольностью до 60% и содержанием горючих компонентов (органических веществ) более 20% горят без добавления топлива. Кроме того, за счет значительной теплообразующей способности (4—8 мДж/кг) отходов в процессе их сжигания образуется энергия, которую можно использовать в народном хозяйстве.

В то же время в процессе мусоросжигания возникает необходимость в складировании твердых продуктов неполного сгорания (шлака и золы) и очистке выбросов в атмосферный воздух. В среднем вследствие сжигания 1 т твердых бытовых отходов образуется почти 300 кг шлака и 6000 м3 дымовых газов, из которых на очистных сооружениях задерживается 30 кг золы. Шлак и зола содержат значительное количество кремния (до 65%), щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий, железо, свинец, цинк и др. Кроме того, в золе могут содержаться диоксины — полихлорированные дибензодиоксины и по-лихлорированные дибензофураны. Эти вещества (их может быть более 210, в зависимости от количества атомов хлора и их размещения в молекуле) оказывают канцерогенное, гепатотоксическое, нейротоксическое действие, угнетают иммунную систему, способны проходить через плаценту, накапливаться в грудном молоке. Самым токсичным и опасным для здоровья людей является 2,3, 7, 8-тетрахлордибензодиоксин. Опасны эти вещества также из-за их чрезвычайной стабильности в окружающей среде. Поэтому складировать золу необходимо так же, как и токсические промышленные отходы, т. е. на специальных полигонах. Шлак можно складировать на усовершенствованных свалках или даже использовать, например, в строительстве для улучшения рельефа местности. Позитивным является то, что площадь для складирования шлака и золы в 20 раз меньше, чем для свалок твердых бытовых отходов.

Дымовые газы, образующиеся во время мусоросжигания, содержат, кроме золы (2—10 г/м3), углерода диоксид — С02 (15%), углерода оксид — СО (0,05%), серы диоксид (S02), азота оксиды, HCl, HF, а также полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны. Во время сжигания 1 т отходов может образоваться 5 мкг диоксинов, большая часть которых связана с золой, а меньшая — остается в дымовых газах. Диоксины могут содержаться как в собственно отходах, так и образовываться в процессе охлаждения дымовых газов после сжигания мусора. Во время сжигания при температуре 1000 °С диоксины, содержавшиеся в отходах, разрушаются. Но при охлаждении дымовых газов до 250—350 °С они могут образовываться из органического углерода и хлоридов в присутствии водяного пара и ионов меди. Поэтому обязательной является очистка дымовых газов перед их выбросом в атмосферный воздух. Для задержки золы используют электрофильтры и рукавные фильтры, которые дают возможность уменьшить концентрацию золы в выбросах с 2000—10 000 до 10—50 мг/м3. Для газоочистки применяют сухие и влажные методы, эффективность которых составляет в среднем почти 70 и 90% соответственно.

Мусоросжигательные печи должны находиться на расстоянии не менее 300 м от жилых кварталов. Печи большой производительности и связанные с ними сооружения (для загрузки мусора, его перемешивания, очистки выбросов в атмосферный воздух и др.) называются мусоросжигательными станциями или заводами (рис. 73). Мощные мусоросжигательные заводы должны иметь СЗЗдо 1000 м.

Таким образом, обезвреживание твердых бытовых отходов на мусоросжигательных заводах при условии соблюдения санитарно-гигиенических требований по их оборудованию и эксплуатации имеет гигиеническое, эпидемиологическое и экономическое преимущество, заключающееся в том, что обезвреживание происходит радикально и быстро. Отпадает необходимость в вывозе мусора далеко за город, т. е. сокращаются транспортные расходы, не требуются значительные по площади земельные участки, могут быть использованы тепло, пар и шлак. Именно этим обусловлено широкое использование мусорос-жигания в мире. Так, количество мусоросжигательных заводов в ФРГ в период 1980—1985 гг. возросло с 42 до 48. Во Франции на 180 мусоросжигательных заводах сжигали почти 35% отходов.

Пиролиз. Процесс пиролиза твердых бытовых отходов осуществляется в высокотемпературных реакторах при температуре почти 1640 °С в условиях дефицита кислорода и не требует их предварительной подготовки. Высокая температура обеспечивает разрушение практически всех сложных органических веществ, превращение их в простые горючие (горючий газ, нефтеподобные масла) или негорючие (шлак) соединения. Во время пиролиза твердых бытовых отходов не образуется выбросов в окружающую среду. Такой метод обезвреживания отходов с гигиенической и экономической точки зрения весьма перспективный.

Химические методы. К химическим методам обезвреживания твердых бытовых отходов относится их гидролиз в присутствии хлористоводородной или серной кислоты при высокой температуре с целью получения этилового спирта, форфурола, витаминов группы В, РР, D и других важных продуктов. Кроме того, отходы гидролизного завода могут быть использованы в виде биотоплива и органических удобрений. При внесении этих удобрений на поля черноземной зоны урожайность картофеля становится в 2 раза больше по сравнению с полями, обработанными другими компостами. Гидролизный метод обеспечивает безотходную технологию производства при соблюдении требований по санитарной охране окружающей среды.

Механические методы. К механическим методам обезвреживания твердых отходов относится изготовление разных блоков (крупнообъемных брикетов, строительных материалов) путем их прессования и использования специальных связующих веществ. В настоящее время механическая сепарация бытовых отходов является одной из основных предшествующих операций полной утилизации и фактического обезвреживания отходов.

В крупных городах для использования ценных частей отходов строят му-сороутилизационные заводы и станции (рис. 74). Такие заводы работают в Москве, Санкт-Петербурге, Минске, Риге, Ташкенте, Харькове и Одессе. Эти заводы не загрязняют окружающую среду, обеспечивают переработку отходов в ценное азотное органическое удобрение (компост, биотопливо) для нужд сельского хозяйства и извлечение из них черного и цветного металлолома.