- •Содержание
- •1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему
- •1.1. Анализ способов и оборудования утилизации коммунально-бытовых отходов.
- •1.2. Переработка твердых бытовых отходов компостированием
- •1.2.1. Полевое компостирование тбо
- •1.2.2. Метод механизированного биотермического компостирования
- •1.3 Термические методы переработки отходов
- •1.3.1. Сжигание предварительно неподготовленных отходов и гранулированного топлива
- •1.3.2. Пиролиз отходов
- •1.3.3. Высокотемпературная газификация отходов
- •1.4. Переработка твердых бытовых отходов биохимическим методом
- •2Проведение патентных исследований в проблемной области по гост 15.011-96
- •3 Исследование, обоснование и выбор методов, средств и направления исследований
- •3.1 Качественные характеристики кбо
- •3.2 Морфологический состав кбо
- •3.3 Физические свойства бытовых отходов
- •4. Проведение сравнительной оценки вариантов возможных решений исследуемой проблемы
- •5 Разработка основ технологии утилизации коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания
- •5.1 Биореактор
- •5.2 Газгольдер
- •5.3 Перемешивание
- •5.4 Технология анаэробного сбраживания пищевых коммунально-бытовых отходов
- •6 Разработка методики получения лабораторных образцов комплекса (многокомпонентной смеси) пищевых коммунально-бытовых отходов, подлежащих утилизации методом анаэробного сбраживания
- •7 Получение лабораторных образцов комплекса (многокомпонентной смеси) пищевых коммунально-бытовых отходов, подлежащих утилизации методом анаэробного сбраживания.
- •8 Подбор консорциума микроорганизмов для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания
- •9 Разработка программы и методики проведения экспериментальных исследований утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания в лабораторных условиях
- •10 Разработка лабораторной методики утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания
- •11 Проведение экспериментальных исследований технологии утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания в лабораторных условиях
- •12 Разработка математической модели тепло- и массообменных процессов в реакторе анаэробного сбраживания
- •12.1 Постановка задачи
- •13 Проведение технико-экономической оценки рыночного потенциала полученных результатов
- •14 Разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных нир в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках
- •15 Разработка проекта технического задания для прикладных нир по теме: «Разработка технологических процессов утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания»
- •16 Создание экспериментальной установки для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания
- •17 Проведение пуско-наладочных работ экспериментальной установки для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания
- •17.1 Подготовка установки к работе
- •17.2 Пуск установки
- •17.3 Экстренные ситуации
- •18 Проведение испытаний установки для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания
- •19 Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальную установку
- •19.1 Назначение
- •19.2 Работа системы
- •19.3 Средства измерения, инструмент, и принадлежность
- •19.4 Описание и работа составных частей
- •19.5Эксплуатация системы
- •Заключение
- •Список использованных источников
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.