Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

УДК 628.544: 628.4.042 ОКПО 02068108 ОКОПФ 81 № госрегистрации Инв. №

УТВЕРЖДАЮ Ректор ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» ______________ Чертов Е.Д. «___» __________ 2013 г.

ОТЧЕТ о научно-исследовательской работе

«РАЗРАБОТКА НАУЧНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СБОРА И УТИЛИЗАЦИИ ПИЩЕВЫХ ОТХОДОВ В МЕСТАХ ОБРАЗОВАНИЯ МЕТОДОМ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ»

по теме:

«Выбор направления исследований. Теоретические и экспериментальные исследования поставленных перед НИР задач. Обобщение и оценка результатов исследований.»

Этап первый (заключительный)

2013-1.5-14-515-0058

Государственный контракт от «16» октября 2013 г. № 14.515.11.0089 в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»

Научный руководитель,

д.т.н., профессор _______________ С. Ю. Панов

подпись, дата

Воронеж 2013 г.

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ

Научный руководитель, Д.т.н., профессор	подпись	С. Ю. Панов (разделы: 1,2,3,6,7,8,14,19)
Д.т.н., профессор	подпись	А. В. Жучков (разделы: 5,12)
К.т.н., доцент	подпись	А. Н. Рязанов (разделы: 12,14,15,16,17,18)
К.т.н., доцент	подпись	И. В. Черемушкина (разделы: 8,7)
К.т.н., доцент	подпись	С. В. Лавров (разделы: 5,7,9,14)
К.т.н., доцент	подпись	Е. В. Скляднев (разделы: 1,6,11)
К.т.н., доцент	подпись	И. Е. Шабанов (разделы: 3,12,19)
	подпись	А. Ю. Баранов (разделы: 10,11,15,19)
	подпись	М. Ю. Балабанова (разделы: 6,11)
	подпись	А. В. Гуров (разделы:1,10,15,16)
	подпись	А. В. Зинковский (разделы: 6,9,15,19)
	подпись	С. О. Кизим (раздел: 2)
	подпись	В.Б. Коннова (разделы: 5,10,13)
	подпись	В. Д. Курудимов (разделы: 1,2)
	подпись	В. А. Осипова (раздел: 2)
	подпись	М. А. Провоторова (разделы: 4,6)
	подпись	Е.Г. Полянская (раздел: 2)
	подпись	А. А. Самохвалов (разделы: 3,13)
	подпись	Н. А. Савина (разделы: 1,2)
	подпись	Ю. Н. Смолко (разделы: 11,12,15,16,17,19)
	подпись	И. С. Толстова (разделы:4,11)
	подпись	А. А. Толкачева (разделы:3,11)
	подпись	Д. Ю. Уразов (разделы: 5,7,9,15)
	подпись	О. В. Николенко (разделы: 1,2)
	подпись	Н. А. Некрасова (разделы: 1,7,11)
	подпись	А. А. Чернецкая (разделы: 5,7,11,12)
	подпись	А. М. Чикалова (раздел: 2)
Нормоконтролер	подпись	Н. А. Лебединская

РЕФЕРАТ

Отчет 599 с., 1 ч.,46 рис., 37 табл., 215источников, 11прил.

АНАЭРОБНОЕ СБРАЖИВАНИЕ, ГАЗГОЛЬДЕР, МЕТАНТЕНК, КОНСОРЦИУМ, МЕЗОФИЛЬНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ, БИОМАССА, КОММУНАЛЬНО-БЫТОВЫЕ ОТХОДЫ, ТВЕРДО-БЫТОВЫЕ ОТХОДЫ (ТБО), УТИЛИЗАЦИЯ И ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ.

Объект исследования: пищевые коммунально-бытовые отходы.

Цель работы:

1. Создание научно-технического задела в области экономически приемлемых и безопасных технологий обращения с коммунально-бытовыми отходами, обеспечивающих сокращение объемов их поступления для полигонного захоронения и снижение загрязнения окружающей среды с исключением социально-экологических и санитарно-гигиенических норм.

2. Создание научно-технического задела в области разработки комплексов по утилизации коммунально-бытовых отходов с получением газа.

Результаты работы:

- подготовлен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему.

- проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.

- выполнены исследование, обоснование и выбор методов, средств и направления исследований.

- проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы.

- разработаны основы технологии утилизации коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания.

- разработана методика получения лабораторных образцов комплекса (многокомпонентной смеси) пищевых коммунально-бытовых отходов, подлежащих утилизации методом анаэробного сбраживания.

-получены лабораторные образцы комплекса (многокомпонентной смеси) пищевых коммунально-бытовых отходов, подлежащих утилизации методом анаэробного сбраживания.

- осуществлен подбор консорциума микроорганизмов для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания.

-разработаны программа и методика проведения экспериментальных исследований утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания в лабораторных условиях.

-разработана лабораторная методика утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания.

- проведены экспериментальные исследования технологии утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания в лабораторных условиях.

- разработаны математические модели тепло- и массообменных процессов в реакторе анаэробного сбраживания.

- проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.

- разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных НИР в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.

- разработан проект технического задания для прикладных НИР по теме: «Разработка технологических процессов утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания».

- разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальную установку.

-создана экспериментальная установка для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания.

-проведены пуско-наладочные работы экспериментальной установки для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания.

-проведены испытания установки для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания.

Область применения: предприятия и организации, занимающиеся утилизацией (переработкой) отходов.

Содержание

	Введение	12
1	Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему.	16
1.1	Анализ способов и оборудования утилизации коммунально-бытовых отходов.	46
1.2.	Переработка твердых бытовых отходов компостированием	47
1.2.1	Полевое компостирование ТБО	48
1.2.2	Метод механизированного биотермического компостирования	60
1.3	Термические методы переработки отходов	64
1.3.1	Сжигание предварительно неподготовленных отходов и гранулированного топлива	65
1.3.2	Пиролиз отходов	74
1.3.3	Обобщение и выводы по результатам НИР	80
1.4	Переработка твердых бытовых отходов биохимическим методом	86
2	Проведение патентных исследований в проблемной области по ГОСТ 15.011-96	96
3	Исследование, обоснование и выбор методов, средств и направления исследований	98
3.1	Качественные характеристики КБО	98
3.2	Морфологический состав КБО	98
3.3	Физические свойства бытовых отходов	101
4	Проведение сравнительной оценки вариантов возможных решений исследуемой проблемы	107
5	Разработка основ технологии утилизации коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания	126
5.1	Биореактор	127
5.2	Газгольдер	128
5.3	Перемешивание	129
5.4	Технология анаэробного сбраживания пищевых коммунально-бытовых отходов	130
6	Разработка методики получения лабораторных образцов комплекса (многокомпонентной смеси) пищевых коммунально-бытовых отходов, подлежащих утилизации методом анаэробного сбраживания	133
7	Получение лабораторных образцов комплекса (многокомпонентной смеси) пищевых коммунально-бытовых отходов, подлежащих утилизации методом анаэробного сбраживания.	136
8	Подбор консорциума микроорганизмов для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания.	140
9	Разработка программы и методики проведения экспериментальных исследований утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания в лабораторных условиях	159
10	Разработка лабораторной методики утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания	161
11	Проведение экспериментальных исследований технологии утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания в лабораторных условиях	162
12	Разработка математической модели тепло- и массообменных процессов в реакторе анаэробного сбраживания	172
13	Проведение технико-экономической оценки рыночного потенциала полученных результатов	186
14	Разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках	202
15	Разработка проекта технического задания для прикладных НИР по теме: «Разработка технологических процессов утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания»	208
16	Создание экспериментальной установки для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания	209
17	Проведение пуско-наладочных работ экспериментальной установки для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания	212
17.1	Подготовка установки к работе	212
17.2	Пуск установки	212
17.3	Экстренные ситуации	215
18	Проведение испытаний установки для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания	216
19	Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальную установку	219
19.1	Назначение	219
19.2	Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальную установку	219
19.3	Средства измерения, инструмент, и принадлежность	221
19.4	Описание и работа составных частей	223
19.5	Эксплуатация системы	224
	Заключение	225
	Список использованных источников	232
	Приложение А Отчет о патентных исследованиях	260
	Приложение БМетодика получения лабораторных образцов комплекса (многокомпонентной смеси) пищевых коммунально-бытовых отходов, подлежащих утилизации методом анаэробного сбраживания	444
	Приложение В Программа и методика	448
	Приложение Г Лабораторная методика	467
	Приложение Д Акт получения лабораторных образцов	484
	Приложение Е Проведение экспериментальных исследований	487
	Приложение Ж Проект ТЗ на прикладную НИРпо теме: «Разработка технологических процессов утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания»	499
	ПриложениеИЭскизная конструкторская документация на экспериментальную установку	514
	ПриложениеКАкт изготовления экспериментальной установки	590
	Приложение Л Акт проведения пуско-наладочных работ экспериментальной установки	594
	Приложение М Акт проведения испытаний	597

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

РФ - Российская федерация

ФГБОУВПО – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования;

ВГУИТ – Воронежский государственный университет инженерных технологий;

ТБО – твердые бытовые отходы;

КБО - коммунально-бытовые отходы;

ООС – охрана окружающей среды;

ОС – окружающая среда;

СанПиН – санитарные правила и нормы;

СНиП – строительные нормы и правила;

ВВЕДЕНИЕ

Основанием для проведения НИР, выполняемой в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 годы», является Государственный контракт от «»2013 г. № 14.515.11.0089.

Рост потребления, особенно в крупных городах России, приводит к увеличению объемов образования коммунально-бытовых отходов. Существующая система управления отходами в России, ориентированная преимущественно на их захоронение, является несовершенной, ведет к загрязнению окружающего воздуха, грунтовых вод и, как следствие, - снижению качества жизни, не согласуется с принципами устойчивого развития экономики и требует коренной модернизации. Отходы, при их бесконтрольном размещении на свалках, негативно воздействуют на окружающую среду, являясь источником поступления вредных химических и биологических веществ в грунтовые и поверхностные воды, атмосферный воздух и почву, создавая определенную угрозу здоровью и жизни населения. Поэтому предотвращение попадания вредных веществ из отходов во внешнюю среду является важнейшей задачей экологической безопасности при обращении с коммунальными отходами.

Актуальность проблемы утилизации (переработки) КБО, в частности пищевых, отходов вызвана целым рядом причин, к которым относятся:

- ухудшение экологической обстановки и здоровья населения, связанное с выбросом в атмосферу газов, являющихся продуктом разложения отходов, загрязнением водных источников, уничтожением плодородного слоя почв;

- образование санкционированных и несанкционированных свалок, нарушением экологических и санитарных правил, и норм;

- увеличение объема отходов, производимых, многообразие видов отходов, сложность и непостоянство их состава;

- потеря содержащихся в отходах ресурсов, которые возможно использовать вторично;

- отчуждение под свалки и полигоны значительных земельных площадей.

По данным Организации ООН по промышленному развитию (ЮНИДО) по энергоемкости ВВП Россия входит в десятку стран - мировых лидеров. По объемам только растительного возобновимого энергосырья (РВЭ), включая сельскохозяйственные и КБО, Россия занимает одно из первых мест в мире, но по уровню их использования - пока одно из последних мест. А, например, в КНР, Австралии, Бразилии, Скандинавии, Юго-Восточной Азии доля РВЭ в энергобалансе ныне достигает или превышает 15%.

Мировая практика использования различных видов утилизации бытовых отходов приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Соотношение видов утилизации бытовых отходов в различных странах, %

Вид утилизации	США	Великобритания	Франция	Германия	Япония	Средние данные
Захоронение на свалках	84	90	55	78	57	74,7
Сжигание	15	9	35	20	40	23,1
Переработка в удобрения	-	1	10	2	2	1,4
Прочие	1	-	-	-	1	0,8
Итого	100	100	100	100	100	100

Сложившаяся в Российской Федерации ситуация в области сбора и утилизации отходов ведет к опасному загрязнению окружающей среды, нерациональному использованию природных ресурсов, значительному экономическому ущербу и представляет реальную угрозу здоровью современных и будущих поколений страны.

В настоящее время в большинстве случаев отходы просто собираются для захоронения на полигонах, что ведет к отчуждению свободных территорий в пригородных районах и ограничивает использование городских территорий для строительства жилых зданий. Также совместное захоронение различных видов отходов может привести к образованию опасных соединений. По данным Росприроднадзора, ежегодно в России образуется порядка 35-40 млн. тонн твердых бытовых отходов и практически весь этот объем размещается на полигонах ТБО, санкционированных и не санкционированных свалках, и только 4-5% вовлекается в переработку. Это прежде все связано как с отсутствием необходимой инфраструктуры, так и самих предприятий - переработчиков, которых по стране насчитывается всего порядка 400 единиц (389), из них: комплексов по переработке ТБО всего 243, комплексов по сортировке - 53, мусоросжигающихзаводов -около 10.

В соответствие с «Основами государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года», утвержденными Президентом Российской Федерации 28.04.2012г. № Пр-1102, 10 основным направлениями обращения с отходами являются: предупреждение и сокращение образования отходов; развитие инфраструктуры их обезвреживания и поэтапное введение запрета на захоронение отходов, не прошедших сортировку и обработку в целях обеспечения экологической безопасности при хранении и захоронении. В странах ЕС система управления отходами предполагает наличие интегрированной системы различных аспектов: социальных, экономических, нормативно-правовых, управленческих, технических. В настоящее время технологии обращения с отходами можно разделить, (в том числе, с точки зрения экологических последствий) на технологии их сбора и разделения, захоронения на полигонах ТБО и переработки различными способами, в том числе термическими. Среднегодовая доля пищевых отходов в составе ТБО составляет 35% по массе. Эта группа отходов преобладает в составе ТБО.

Патентный поиск показал, что утилизацией бытовых и промышленных отходов органического происхождения методом анаэробного сбраживания занимались как отечественные, так и зарубежные ученые. Анализ патентных источников позволил установить состояние техники, относящейся к переработке и утилизации отходов, которые будут рассматриваться в настоящей научно-исследовательской работе. При практически неизменной технологии все предлагаемые установки отличаются лишь схемой цепи аппаратов. С учетом проведенных патентных исследований для последующей НИР и разработки рекомендаций к выполнению НИОКР по созданию универсального способа, назначение которого должно состоять в технологии сбора и утилизации пищевых отходов в местах образования методом анаэробного сбраживания. Проведенный патентный поиск подтвердил тот факт, что предлагаемый в НИР метод комплексной переработки отходов, включающий утилизацию пищевых КБО методом анаэробного сбраживания, станет новым этапом в решении проблемы охраны окружающей среды от исследуемого перечня материалов (отходов).

Проблемы переработки и утилизации пищевых отходов связаны со сложностью их морфологического состава. До настоящего времени не существует единого мнения относительно того, какая из технологий их переработки и утилизации является наиболее рациональной. Сложность решения проблем утилизации пищевых отходов обуславливается необходимостью применения капиталоемкого оборудования и трудностью решения многофакторной задачи эколого-экономического обоснования выбора конкретной технологии утилизации бытовых отходов.