IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Основной целью данной работы является изучение вопроса о создании в Российской Федерации системы комплексного управления отходами производства и потребления и вовлечение в производство вторичных ресурсов (их утилизация, безопасное хранение, переработка). С целью получения электрической и тепловой энергии, что, безусловно, повлечет за собой санацию территорий, занятых отработанными свалками отходов производства и потребления, ликвидацию промышленных отходов для сохранения и развития комфортной среды обитания населения, а также обеспечения экологической безопасности регионов.

В России существующая схема сбора твердых бытовых отходов не совершенна и включает: сбор отходов в зоне многоэтажной застройки в металлические контейнеры, устанавливаемые на специальные контейнерные площадке и вывоз их спецтранспортом.

За рубежом уже давно с активным участием населения практикуется раздельный сбор ТБО: в отдельные контейнеры складываются пищевые отходы, макулатура, стеклотара, металлолом. Такой сбор осуществляется в ряде промышленно-развитых стран: в Германии, США, Канаде, Японии и некоторых других. Например, в Финляндии, богатой лесом не менее России, сортируют даже макулатуру: газетная бумага, картон, книжная бумага собираются в отдельные чистые контейнеры, каждый из которых выкрашен специальной краской в определенный цвет.

В большинстве стран мира, прежде всего развитых, для утилизации существует унифицированная система. Указанная система в общем виде состоит из трех взаимодополняющих и связанных между собой блоков:

1) рециклинг или повторное использование;

2) собственно утилизация, направленная, прежде всего, на сокращение объемов ТБО;

3) депонирование или складирование.

Соотношение между собой блоков системы определяется спецификой страны (площадь, уровень развития техники и технологии, отношение населения к проблеме) и структурой отходов. Наиболее экологически обоснована эта система у маленькой и технологически развитой Японии.

В связи с постоянной тенденцией к удорожанию природного топлива и с возрастающим в связи с этим интересом к нетрадиционным источникам энергии бытовые отходы также находят свое место в общем энергетическом балансе многих стран.

Наряду с традиционными схемами сжигания ТБО с использованием тепловой и электрической энергии в системах энергоснабжения городов имеется богатый опыт европейских стран и схемных решений, приводящих к комбинированным источникам энергоснабжения. В составе таких источников используется наряду с технологическими линиями обезвреживания ТБО с выработкой энергии не только энергетическое оборудование в виде парогенераторов, но и газотурбинные установки (ГТУ), парогазовые установки (ПГУ).

23 ноября 2009 г. Президент Российской Федерации Д.А. Медведев подписал Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (закон об энергосбережении). Президент обозначил энергосбережение и повышение энергоэффективности одним из пяти основных направлений модернизации экономики России [1].

1. Перспектива использования отходов для выработки тепловой и электрической энергии.

1.1. Понятие и виды источников энергии, твердых бытовых (ТБО) и промышленных отходов.

Сегодня общепризнано, что энергия стала глобальным товаром, а энергетический рынок, как считают многие специалисты, во многих отношениях стал подобен рынку финансовому.

В связи с этим формирование цивилизованного энергетического рынка и недискриминационных экономических отношений его субъектов между собой и с государством – главное средство решения задач, поставленных перед энергетикой на ближайшее будущее. При этом государство, ограничивая свои функции как хозяйствующего субъекта, усиливает свою роль в формировании рыночной инфраструктуры как регулятора рыночных отношений.

Современный уровень энергопотребления в мире эквивалентен 12 млрд. т. н.э. С учетом существующих темпов роста к 2050 г. мировое энергопотребление достигнет 15 млрд. т. н.э. (по более пессимистическим прогнозам – 25 млрд. т н.э.). При этом по данным Мирового Энергетического Совета, использование возобновляемых источников энергии увеличится в два раза и достигнет 6 млрд. т н.э., а доля биомассы составит 2.6 млрд. т н.э.

Потенциал образования лесных и сельскохозяйственных отходов огромен - около 2 миллиардов т/год во всем мире. Сегодня этот потенциал недостаточно используется во многих регионах мира. В районах с недостатком леса, таких как Бангладеш, Китай, северных равнинах Индии и Пакистане до 90% бытовых потребностей в энергии покрывается в сельской местности за счет сельскохозяйственных отходов. По существующим оценкам около 800 миллионов обитателей Земли используют сельскохозяйственные отходы и навоз для приготовления пищи, хотя точные подсчеты сделать трудно. В противоположность распространенному мнению, использование навоза в качестве источника энергии не ограничено только развивающимися странами. Например, в Калифорнии коммерческие биогазовые установки генерируют около 17.5 МВт электроэнергии, используя навоз крупного рогатого скота. Большое количество биогазовых установок имеется в Европе.

Количество энергии, которое теоретически возможно получить из возобновляемых отходов, составляет 54 ЭДж в развивающихся странах и 42 ЭДж в развитых регионах. Возобновляемые отходы включают три основных компонента: лес, продукты растениеводства и навоз. В расчетах предполагается, что только 25% отходов используется полезно. Развивающиеся страны теоретически могут покрыть 15% потребностей в энергии за счет отходов, промышленные страны - 4%.

Природа обладает средством разрушения и удаления отходов, а также мертвых растений и животных. Работу по разрушению производят бактерии. Навоз и компост, использующиеся в качестве удобрения, также получаются в процессе декомпозиции органических материалов. Если части отмирающих растений и животных попадают в воду, то впоследствии на поверхности воды можно заметить пузырьки, поднимающиеся со дна. Газ, содержащийся в пузырьках, способен возгораться. Этот загадочный феномен известен человеку многие века. Секрет был раскрыт учеными около 200 лет тому назад. Процесс представляет собой разложение органики в отсутствии воздуха (кислорода). Газ, образование которого обычно отмечалось на болотах, был назван и до сих пор называется болотным газом. Этот газ, называемый также биогазом, представляет собой смесь метана (CH₄) и двуокиси углерода (CO₂).

Анаэробное сбраживание реализуется при отсутствии воздуха. В этом случае декомпозиция происходит под воздействием бактерий, а не высоких температур. Это процесс, происходящий практически во всех биологических материалах и ускоряющийся в теплых и влажных условиях (естественно, при отсутствии воздуха). Часто он имеет место при разложении растений на дне водоемов.

Анаэробное сбраживание также происходит в условиях, создаваемых в процессе человеческой деятельности. Например, биогаз образуется в местах концентрации сточных вод, навозных стоков ферм, а также твердых бытовых отходов на свалках и полигонах. В обоих случаях биогаз представляет собой смесь, преимущественно состоящую из метана и двуокиси углерода. Основные отличия заключаются в природе исходного материала, масштабах и темпе образования биогаза, приводящие к весьма отличающимся технологиям для этих источников.

Получение биогаза экономически выгодно и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов сельскохозяйственного производства (стоки скотобоен, растительные отходы и т. д.).

Известно, что наиболее эффективно энергия биомассы используется в Португалии, Франции, Германии, Дании, Италии, Испании и Нидерландах, где с помощью альтернативных источников производят 15-20% электроэнергии.

Сырьём для получения биогаза могут служить практически любые субстанции органического происхождения. Основной принцип работы установки получения биогаза - наличие анаэробных условий в реакторе сбраживания, где происходит перемешивание и нагрев биомассы. В процессе брожения выделяется биогаз, а биомасса превращается в переработанный нейтральный остаток, представляющий собой натуральное удобрение, экологически безвредное для окружающей среды.

Основным преимуществом анаэробного сбраживания является сохранение в органической или аммонийной форме практически всего азота, содержащегося в исходном сырье. Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает устранение патогенных микроорганизмов и качественное обеззараживание остатка.

Оптимальная система биогазовой установки в зависимости от вида доступного сырья включает в себя следующие этапы: хранение сырья — подготовка сырья —► усреднение —► сбраживание и перемешивание —► обработка и использование биогаза —► отделение переработанных твердых веществ и их переработка —► переработка остатка [2].

Напряжение электроэнергии, вырабатываемой в больших биогазовых установках, перед подключением к муниципальной сети должно быть преобразовано из 400 В до 10000 В. К небольшим установкам это требование не применяется.

Помимо получения электричества, возможно, преобразовывать биогаз в природный газ для подачи в муниципальную газовую сеть. Перед подачей в сеть из биогаза удаляется углекислый газ. В случае использования биогаза для собственных нужд предприятия необходимо только заменить тип горелки в бойлере.

Преимущества и характеристики:

• энергия, производимая био- газовой установкой, имеет нейтральный показатель выброса углерода;

• биогаз и энергия могут вырабатываться в режиме 24/7;

• низкий уровень зависимости от электроэнергии из муниципальной сети и импорта из других стран;

• выработка энергии не зависит напрямую от ветра, воды и солнца;

• возможность хранения биогаза;

• ценность навоза как удобрения возрастает во время процесса выработки биогаза.

В процессе анаэробной переработки образуются два основных продукта: биогаз и переработанный остаток. Если мы говорим об эффективных и рациональных технологиях, то стоит рассказать о переработке остатка.

Переработанный остаток (дигестат) - это твёрдое вещество, остающееся после анаэробного сбраживания биоразлагаемого сырья.

Химия процесса образования биогаза достаточно сложна. Сложная популяция бактерий разлагает органические материалы в сахара, а затем в различные кислоты, из которых в свою очередь получается биогаз. При этом остается инертный остаток, состав которого зависит от типа установки и исходного сырья.

Биогаз. Биогаз представляет собой ценное топливо. Для его производства во многих странах строятся специальные метантенки, которые наполняются навозными стоками или сточными водами. Метантенки варьируются в размерах от одного кубического метра (в индивидуальных хозяйствах) до тысяч кубометров, используемых в больших коммерческих установках. Загрузка может быть постоянной или порционной, а процесс сбраживания может занимать от десяти дней до нескольких недель. В процессе деятельности бактерий образуется тепло, однако в условиях холодного климата необходим подвод дополнительного тепла для поддержания оптимальной температуры (по крайней мере, 35³C). Источником тепла может быть биогаз. В предельном случае весь газ может быть использован для нагрева. Хотя в этом случае выход энергии в процессе будет нулевым, все равно его существование будет оправдано экономией ископаемого топлива, необходимого для переработки отходов. Хорошие биогазовые установки могут производить 200-400 м³ биогаза с содержанием метана от 50 до 75% из каждой тонны сухого органического вещества

Биогаз полигонов ТБО (свалочный газ)

Большая часть муниципальных отходов - твердых бытовых отходов (ТБО) - представляет собой биологические материалы, а их вывоз на полигоны создает пригодные условия для анаэробного сбраживания. То, что полигоны и свалки ТБО генерируют метан, известно в течение десятилетий. Потенциальная опасность метана заставляла в некоторых случаях строить системы для принудительного сжигания метана. Только в 70-х годах 20 века серьезное внимание уделено идее использования этого "нежелательного" продукта.

ТБО имеют более сложный состав, чем сырье в биогазовых установках. Сбраживание происходит медленнее, обычно в течение нескольких лет, а не недель. Конечный продукт, известный под названием "свалочный газ", также представляет собой смесь преимущественно CH₄ и CO₂. Теоретически выход газа в течение "жизни" полигона может составить 150-300 м³ на тонну ТБО при концентрации метана от 50 до 60 объемных процентов. Это соответствует 5-6 ГДж энергии на тонну ТБО. На практике выход биогаза меньше.

В процессе формирования полигона каждый участок после заполнения покрывается слоем непроницаемой глины или подобного материала, создавая условия для анаэробного сбраживания. Газ собирается системой связанных между собой перфорированных труб, установленных в теле полигона вплоть до глубины 20 метров. На новых полигонах система труб устанавливается до поступления ТБО. На больших полигонах может быть установлено несколько километров труб, с помощью которых можно собрать 1000 м3/час свалочного газа и более.

Все больше свалочный газ используется для производства электроэнергии. В настоящее время большинство установок использует двигатели внутреннего сгорания, например, стандартные судовые двигатели. При типичном выходе газа, равном 10 ГДж/час, могут быть установлены двигатель и генератор мощностью 500 кВт.

Стремление к наиболее рациональному использованию биомассы в качестве источника энергии с учетом проблемы загрязнения окружающей среды приводит к анализу комбинированных гибридных систем.

Известно, что значительное количество загрязнений, поступающих в окружающую среду, дает транспорт. В разных странах величина выбросов СО₂ в атмосферу от транспортных средств колеблется от 20 до 30% общего количества выбросов. При этом усложняется задача уменьшения поступления диоксида углерода в атмосферу, так как дымовые газы на стационарных установках могут быть очищены от СО₂, в то время как для автотранспорта эта задача оказывается практически неразрешимой. Однако создание гибридных систем, сочетающих в себе возможности для выработки электроэнергии и производства моторного топлива, позволяет частично решить проблему уменьшения загрязнения атмосферы парниковыми газами [1].

Использованная литература

1. Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов. Обзорные доклады ведущих специалистов Школа молодых ученых. Махачкала – 2006. – С. 171 с.

2. Исаева А.В. Найхаус Вотер., Технолоджи Б.В. Экология производства № 10. 2014 – С. 56 - 58.

3. Biomass. rea.ora/ua>dieret/biomass html (Интернет источник, дата обращения 05.02.2017).

4. Chisti Y.Biodizel from microalgae // Biotechnology Advances. 2007. Vol. 25. P. 294– 306.

5. Wu Q., Miao X. Biofuels production from microalgae after heterotrophic growth. http://www.- ec.europa. eu-research- energy- pdf- 36_ qingyu_ wu_en. Pdf.

Код для цитирования: Скопировать