2809

По показателю токсичности отвалы относятся к IV классу, по величине суммарного показателя загрязнения – к высокой и средней степени загрязнения.

Всформированных к настоящему времени отвалах техногенных образований присутствуют и многие полезные элементы (Fe, Co, Au, Ag и др.), представляющие промышленный интерес для повторной переработки сырья из отходов горнорудного производства.

Аналитические исследования проб железорудных отвалов региона осуществлялись в аккредитованном Западно-Сибирском испытательном центре и аналитической лаборатории СО РАН. Промышленные эксперименты по обогащению представительных технологических проб проводились на рудничных дробильно-обогатительных фабриках.

Результаты проведенных геофизических измерений, технологического картирования и камеральная обработка проб лежалых отходов позволяют высоко оценить потенциал техногенных железорудных образований рудников и фабрик сибирского региона.

Техногенные образования Шерегешского рудника являются наиболее крупными и представлены отходами обогащения руд, переработанных свыше 30 лет назад. Средний уровень массовой доли железа в отвалах составляет 16 %. Диапазон изменений содержания железа в верхнем слое составляет 10–30 %. Больше железа общего (свыше 20–30 %) и магнетитового (свыше 11 %) в мелких классах 0–6 мм, объем которых около 20 %. В диапазоне фракций 0–15 мм с объемом

в50 % уровень железа свыше 15 %.

Вотвалах существуют значительные по размерам зоны минерального сырья с высоким содержанием железа, достигающим 18–22 % и реже 35 %. Из других полезных элементов в отходах присутствуют

Mn = 1,1 %, Cu = 0,03 %, Zn = 0,09 %, Co = 0,005 %.

Впрактическом отношении наибольший интерес представляют извлечение из отвалов железорудного концентрата и попутное производство фракционированного щебня для строительных работ.

Проведенные на Шерегешском руднике промышленные испытания четырех технологических проб по переработке отходов отвала «Феофановский» на действующей дробильно-обогатительной фабрике с обогащением исходного материала на магнитных сепараторах позволили получить первичный железорудный концентрат (таблица).

221

Результаты обогащения отходов на Шерегешской обогатительной фабрике

Таким образом, технико-экономическая эффективность переработки железорудных отвалов очевидна.

Ввиду того что производственные мощности всех дробильнообогатительных фабрик региона загружены и не позволяют обогащать дополнительные объемы сырья в виде отходов, разработана инновационная технология переработки железорудных отвалов.

Технология предусматривает расположение на территории отвала мобильной модульной установки (рисунок) для переработки отходов с получением железорудного концентрата и фракционированных строительных материалов.

Модульная установка включает приемный бункер, два однобарабанных сепаратора, систему грохот по разделению материала на фракции и ленточных конвейеров для транспортирования продуктов обогащения.

Подача исходного материала в приемный бункер может осуществляться экскаваторной, бульдозерной или скреперной техникой. Выбор конкретного вида погрузочной и автотранспортной техники зависит от заданной производительности обогатительного комплекса и режима его работы [3].

Р.П. Цыплаковым запатентован способ обогащения железорудного сырья (РФ № 2490068). Способ включает извлечение исходного сырья, его классификацию и образование некондиционной массы, которая направляется в отвал, а также кондиционной массы – концентра-

222

та, который содержит полезный компонент. Железорудным сырьем являются складируемые хвосты процесса обогащения железной руды и/или складируемые некондиционные железные руды.

Рис. Схема модульной обогатительной установки: 1 – приемный бункер; 2 – дозирующее устройство; 3 – грохот; 4 – магнитный сепаратор; 5 – конвейер; 6 – разгрузочный бункер

В качестве полезного компонента в обогащаемом исходном сырье используют гематит, при этом после извлечения исходного сырья из него образуют пульпу и подвергают ее грохочению. В результате грохочения надрешетный продукт крупностью свыше класса +1 мм направляют в отвал, а подрешетный подвергают классификации в гидроциклоне, слив которого крупностью класса –0,03 мм направляют в отвал, а пески крупностью класса +0,03 мм обогащают в первой стадии гидравлического гравитационного обогащения. Образованные

223

пески направляют на гидравлическое гравитационное обогащение, а слив направляют на вторую стадию гидравлического гравитационного обогащения – перечистку, слив которого направляют в отвал, а пески, так же как и пески первой стадии гидравлического гравитационного обогащения в сепараторе, направляют на гидравлическое гравитационное обогащение, например, в винтовом сепараторе. В конце процесса получают три технологических потока, один из которых – слив – направляют в отвал, другой – промежуточный продукт, который содержит частицы обогащаемого гематита, – направляют на повторную классификацию в гидроциклоне, а третий поток – концентрат гематита – направляют на сгущение и обезвоживание. Технический результат – эффективное разделение пульпы с получением высококачественного гематитового концентрата при его минимальной себестоимости и малой энергоемкости процесса.

Альтернативами переработки отвалов являются:

1.Способ облесения отвалов промышленных отходов (патент РФ № 2186474, 10.08.2002).

Способ заключается в том, что в качестве насыпного почвогрунта на поверхность отвалов промышленных отходов наносят осадки сточных вод из очистных сооружений мощностью 15–20 см на склоновой части и до 10 см на горизонтальной. После формирования ярусного отвала по всей его поверхности проводят посадку древеснокустарниковой растительности с последующим высевом семян трав.

Недостатком данного способа является то, что не всегда осадки сточных вод подходят для биологической рекультивации, особенно вблизи населенных пунктов. Для использования данного способа необходим питомник древесных пород, что имеется не во всех регионах, особенно на Севере.

2.Способ биологической рекультивации отвалов пустых пород алмазных карьеров (патент РФ № 2462854), который включает отсыпку верхней части отвала потенциально-плодородными грунтами из близлежащих россыпных месторождений. При этом на откосе оформляют мелкие террасы на отсыпных породах, семена растений собирают на дренажных отвалах, вносят удобрение. Посев семян проводят на оформленных и неотсыпанных участках, высаживают саженцы на поверхности отвала. Восстановление растительности на отвале проводят без полива. Способ позволяет ускорить процесс восстановительной сукцессии на отвалах и сократить площади нарушенных территорий.

224

Недостатком этого способа является то, что он может быть применен на пологих откосах отвала и работы ведутся механизированно.

Таким образом, на сегодняшний день существует много способов переработки и рекультивации техногенных месторождений, но экономическая ситуация в стране направлена на разработку первичных месторождений, а не техногенных ресурсов. Экологическая составляющая при расчетах экономической эффективности, как правило, не учитывается.

Список литературы

1.Горбатова Е.А., Старостина Н.Н. Влияние отходов обогатительного передела ОАО СФ УГОК на состояние окружающей среды // Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: сб. материалов V Междунар. науч.-практич. конф.: в 2 т. / под. ред. А.И. Сидорова. – Челябинск: Изд-во Юж.-Урал. гос. ун-та, 2012. – Т. 2. – С. 92–95.

2.Боброва З.М., Ильина О.Ю., Зуева Т.Ю. Анализ способов обращения с отходами в г. Магнитогорске // Литейные процессы: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колокольцева. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогор. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. –

Вып. 13. – С. 212–216.

3.Филиппов П.А. Технологии переработки и утилизации отхо-

дов, 2009.

Об авторах

Мансурова Миляуша Сабитовна – студентка кафедры про-

мышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, e-mail: mansurovamil95@mail.ru.

Старостина Наталья Николаевна – кандидат технических на-

ук, доцент кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, Магнитогорский государственный технический универ-

ситет им. Г.И. Носова, e-mail: nata.starostina@mail.ru.

225

УДК 504.064.47

К.Э. Миниахметова, Ю.В. Завизион, Я.А. Жилинская

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АНАЭРОБНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ

В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Биогаз, образующийся на полигонах захоронения ТКО, оказывает негативное воздействие на окружающую среду, способствует усилению парникового эффекта. Рециркуляция фильтрата при захоронении отходов на полигоне ускоряет процессы метаногенеза за счет увеличения влажности массива отходов и тем самым сокращает срок стабилизации полигона. Исследование процессов деструкции отобранных отходов из массива полигона в модельной лабораторной установке дает возможность отследить, как меняются эмиссии биогаза по мере увеличения биоразложения отходов.

Ключевые слова: твердые коммунальные отходы (ТКО), полигон, биогаз, фильтрат, рециркуляция.

K.E. Miniakhmetova, Yu.V. Zavizion ,Ya.A. Zhilinskaya

PROCESS MODELLING OF ANAEROBIC DECOMPOSITION

OF MSW IN THE LABORATORY

The landfill gas generated in the MSW (municipal solid waste) landfills have a negative impact that contribute to the greenhouse effect. Recirculation of leachate in the landfill body accelerates methanogenesis, due to increased of moisture solid waste and thereby reduces the period of landfill stabilization. Investigation of the processes of degradation of selected solid waste from the landfill in the model laboratory plant makes it possible to trace how is the emission of landfill gas changing, in increasing the biodegradation of waste at different stages.

Keywords: municipal solid waste (MSW) landfill, landfill gas, leachate, recycling.

Захоронение является наиболее распространенным и экономичным способом утилизации твердых коммунальных отходов как в России, так и за рубежом. В настоящее время, несмотря на то что происходит увеличение переработки ТКО (вторичное использование, ком-

226

постирование органической фракции), большая доля их (около 90 %) захоранивается на свалках и полигонах. Технология утилизации твердых коммунальных отходов на полигонах экологически небезопасна, так как возможны эмиссии в окружающую среду (фильтрат, биогаз, аэрозоли, запахи, пыль).

Технологии и условия захоронения ТКО в зарубежных странах и России различны. За рубежом на сегодняшний день применяются предварительные методы подготовки твердых коммунальных отходов к захоронению, осуществляются сбор и рециркуляция фильтрата на полигонах. В России отходы размещаются на полигонах без предварительной обработки вследствие слаборазвитой системы управления отходами.

Одной из возможных эмиссий с полигона захоронения ТКО является биогаз, который становится конечным продуктом анаэробного биоразложения органических субстратов микроорганизмами [1].

Биогаз представляет собой в основном смесь метана и диоксида углерода с ограниченным количеством других газов (азота, кислорода, летучих органических соединений и т.д.), которые, выделяясь в окружающую среду, загрязняют атмосферный воздух, в том числе способствуют усилению парникового эффекта [2].

Эффективным методом снижения долгосрочных эмиссий полигона ТКО является рециркуляция фильтрата, которая через массив отходов позволяет увеличивать влажность отходов, ускорять процесс биодеградации отходов, тем самым регулировать процессы метаногенеза. В настоящее время проводится множество исследований, направленных на оценку процесса газообразования при рециркуляции фильтрата на полигонах.

Преимуществами рециркуляции фильтрата являются распределение питательных веществ и ферментов, разбавление ингибирующих соединений в массиве захоронения отходов (Reinhart, 1996). Эффективность использования рециркуляции фильтрата была продемонстрирована при моделировании процессов, происходящих на полигонах,

в лабораторных условиях (Bilgili et al., 2007 a; Chan et al., 2002; Demir et al., 2004; Huo et al., 2008; Mehta et al., 2002; Pohland and Kim, 2000; Price et al., 2003; Reinhart et al., 2002; Wang et al., 2006) [3].

Целями данного исследования являются анализ образования биогаза при моделировании процессов анаэробного разложения отхо-

227

дов в лабораторных условиях и оценка влияния рециркуляции фильтрата на процесс газообразования.

Для моделирования и исследования процесса анаэробного разложения ТКО, происходящего на полигонах и свалках, на кафедре охраны окружающей среды Пермского национального исследовательского политехнического университета был создан лабораторный комплекс (рис. 1), включающий следующие элементы:

–климатическую комнату (теплоизолированный бокс, внутри которого обеспечивается температурный режим, соответствующий условиям разложения ТКО в массиве полигона, Т = 40 °С);

–емкости (биореакторы).

Рис. 1. Лабораторный комплекс

Отбор проб для исследования производился по глубине с интервалом 0,5–1,0 м посредством ковшового экскаватора на полигоне города Краснокамска. Возраст отходов составил примерно 3–4 года.

Подготовка проб включала в себя усреднение пробы, отсев инертных компонентов (стекло, камни, металл и т.д.), просеивание отходов через сито 100 мм.

Перед загрузкой отходов в биореакторы определялись вес и влажность образцов. Масса отходов в биореакторах в пересчете на сухое вещество составила в биореакторе № 1 55,78 кг, № 2 – 55,48 кг,

№ 3 – 63,01 кг.

228

Подготовленные пробы отходов помещали в три биоректора и уплотняли, далее добавляли воду до полного водонасыщения отходов. Технология лабораторного моделирования заключается в том, что исследуемый материал помещают в герметично закрытый биореактор, в котором поддерживается мезофильный режим (Т = 40 °С), соответствующий условиям полигона. Влажность обеспечивается добавлением свежей воды.

Программа исследований включала замер объема биогаза (2 раза в неделю), измерение компонентного состава биогаза (2 раза

внеделю), отбор фильтрата на анализы (1 раз в неделю), рециркуляцию фильтрата (2 раза в неделю), орошение водой массы отходов (1 раз

внеделю). Периодичность рециркуляции фильтрата была определена на основании ранее проведенных исследований польскими учеными [4].

Накапливаемый в биореакторе объем биогаза измерялся бара-

банным газосчетчиком, компонентный состав биогаза (CH4, CO2, O2) – переносным мультигазовым газосигнализатором «Комета-М» серии ИГС-98. Содержание кислорода в биореакторах определялось для контроля создаваемой анаэробной средой. Отбор фильтрата проводился раз в неделю для определения следующих показателей: pH, электропроводность, содержание аммонийного азота, ХПК. После отбора накопленного объема биогаза масса отходов увлажнялась. В биореакторах № 1 и 2 увлажнение и ускорение процессов биоразложения отходов проводилось за счет рециркуляции фильтрата, в третьем – водопроводной водой. Количество добавляемой воды должно было быть адекватно количеству отбираемого фильтрата.

Рис. 2. Суммарное образование биогаза

229

В процессе проведения экспериментальных исследований были получены следующие результаты. Суммарный объем образования биогаза представлен на рис. 2. Для биореакторов № 1 и 2 представлено усредненное значение, так как условия проведения эксперимента были аналогичными. Полученные данные были пересчитаны на нормальные условия.

Рис. 3. Удельное образование биогаза

Суммарный объем биогаза (на кг сухого вещества) за период проведения эксперимента составил 3,52 л/кг сухого вещества для биореакторов № 1 и 2; 11,68 л/кг сухого вещества для биореактора № 3. Максимальное образование биогаза было выявлено в первые 40 дней эксперимента.

На рис. 3 представлены удельный объем образования биогаза и изменение его содержания во время эксперимента.

Согласно рис. 3 максимумы (пики) образования биогаза зафиксированы на 15-й (0,04–0,27 л/кг сухого вещества/день), 21-й (0,039–0,21 л/кг сухого вещества/день), 27-й (0,03–0,4 л/кг сухого вещества/день), 40-й (0,02–0,16 л/кг сухого вещества/день) дни, т.е. на начальном этапе эксперимента. Пики эмиссии могут быть вызваны выделением биогаза быстроразлагающимися отходами (пищевые остатки) [4].

На данный момент процесс газообразования в биореакторах продолжается. Построенные на основании полученных результатов

230