Огонь, вода и биореакторы

Узнаем, какие технологии переработки бытовых отходов разрабатывают в России.

По данным Росприроднадзора, ежегодно в России образуется больше шести млрд тонн отходов. Бытового мусора в этой массе — меньше 1%. Но именно он породил кризис последних лет: существующие свалки и полигоны переполняются, причем не только в Московской области, а место для новых найти все сложнее. Как государство собирается бороться с переизбытком мусора и какие для этого в России существуют технологии его переработки 

Технологии его переработки отходов

• Нацпроектом по полигонам
• Еще горячее
• Сушить или сбраживать?

Нацпроектом по полигонам

На мусороперерабатывающие заводы, по данным последнего опубликованного (cм. страницу 269) государственного доклада Минприроды о состоянии окружающей среды, в 2017 году отправилось около 10% всех твердых коммунальных отходов. Еще 2,2% отправились на обезвреживание, остальные были просто захоронены. Изменить соотношение должен национальный проект «Экология». Согласно его целям, уже в 2024 году на захоронение вместо 90% бытовых отходов должны отправиться 40%. Остальное пойдет на обработку, после которой 36% от общей массы должны утилизироваться через переработку и повторное использование.

На пути реализации законопроекта много экономических и организационных препятствий, начиная со сложностей внедрения раздельного сбора и вывоза мусора. Но и технологические проблемы в этом ряду не последние. Что должно происходить с разными категориями отходов? Нацпроект предусматривает создание 200 новых перерабатывающих объектов по всей стране. Какие именно это будут объекты, решат регионы в своих территориальных схемах обращения с отходами. Пока единственный вариант, озвученный еще в более раннем проекте «Чистая страна», — мусоросжигательные заводы.

Сейчас в России шесть мусоросжигательных заводов. Запланировано строительство еще четырех в Подмосковье и одного в Казани, два из них уже начали возводить. Планируется, что они будут лучше существующих. Новые заводы проектируют по технологии компании Hitachi Zosen Inova (HZI). Такие предприятия могут сжигать и несортированный мусор (включая опасные батарейки и градусники). Это особенно беспокоит и жителей районов, где заводы будут строиться, и экологов. Но пока предполагается, что на новые российские предприятия будут попадать только непригодные для переработки неопасные отходы. Как указано на сайте госкорпорации «Ростех», которая реализует проект, мусор будут сжигать при температуре 1260 °С, при этом завод будет производить электроэнергию. Разработчики обещают многоступенчатую систему очистки дымовых газов, при которой единственным опасным для окружающей среды и людей продуктом на выходе будет зола. По предварительным заявлениям, благодаря высокой температуре сжигания ее объем составит только 5% от объема сожженных отходов.

Еще горячее

Предлагают ли российские ученые и технологи какие-то альтернативы сжиганию? Проекты по утилизации бытового мусора занимают заметное место в федеральной целевой программе «Исследования и разработки». По нашим подсчетам, с 2014 года по программе получали или получают сейчас финансирование шесть проектов по технологиям переработки бытовых отходов, и еще 11 — сельскохозяйственных и других органических отходов (в том числе органической фракции бытового мусора). На первые из федерального бюджета выделено больше 340 млн рублей, на вторые — около 280 млн. Для сравнения, многочисленные проекты по утилизации отходов добычи полезных ископаемых и разных отраслей промышленности — от деревообработки до производства ракетного топлива — получили за это время порядка 800 млн рублей. Словом, нельзя сказать, чтобы тема бытового мусора была заброшена российскими учеными.

Распространенная категория технологий переработки мусора среди проектов отечественных научных центров, — термические технологии. Это пиролиз и плазменная газификация. По экономическому смыслу они похожи на мусоросжигание: завод потребляет отходы и производит энергию. Пиролиз — термическое разложение отходов без доступа воздуха — проводится при более низких температурах, чем сжигание, и имеет то преимущество, что не образуется дым. Полученные смеси горючих газов, как правило, направляют назад в реактор. Технологии пиролиза достаточно хорошо изучены, и в недавних исследовательских проектах можно обнаружить разве что мобильные установки для переработки небольших количеств мусора. Такую установку для растительных отходов разрабатывали в 2014 – 2016 годах в Тверском государственном университете (было запатентовано лабораторное устройство), а сейчас более универсальный вариант проектирует Донской государственный технический университет.

Плазменная газификация предполагает температуру выше, чем сжигание и пиролиз, — в несколько тысяч градусов Цельсия. Конкретные значения отличаются для разных видов сырья, но не бывают ниже 1800 °С. Переработать при таком экстремальном нагреве можно и бытовой мусор, и опасные отходы, хотя в последнем случае для разложения дополнительно применяют химическое воздействие. На выходе образуются синтез-газ (смесь монооксида углерода и водорода) и неперерабатываемый стекловидный шлак. Синтез-газ можно применить как топливо, использовать для производства электричества или искусственных углеводородов.

Разработками в направлении плазменной газификации твердых отходов в России известны Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН и Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». Предыдущий директор Института электрофизики и электроэнергетики Филипп Рутберг, скончавшийся в 2015 году, получил в 2011 году за работу над технологиями низкотемпературной плазмы премию «Глобальная энергия». Уже в 2007 году у института были экспериментальные плазмохимические установки по уничтожению медицинских и жидких опасных отходов и полупромышленная установка по плазменной газификации твердых бытовых отходов. Сейчас на основе испытанной в институте технологии фирма из Малоярославца «Эко-страна» разработала проект мусороперерабатывающего завода в Калуге. Построить его предполагается на собственные средства. Большую часть производимого электричества завод будет потреблять сам, но может и питать, например, теплицу.

Первая созданная в Институте теплофизики СО РАН плазменная установка была предназначена, в первую очередь, для переработки древесины и сельскохозяйственных органических отходов. В 2016 году ученые из института сравнили свою установку и разработку Института электрофизики и электроэнергетики и нашли, что из одинакового сырья — древесины — на новосибирской установке можно получить синтез-газ с более высокой теплотой сгорания, то есть более ценный. Затем в ходе проекта, на который институт получал субсидию по ФЦП «Исследования и разработки» в 2015 – 2017 годах, была разработана и запатентована электропечь для переработки плазмой техногенных твердых отходов. У института есть индустриальные партнеры среди новосибирских заводов, и разрабатывается проект по размещению новой более мощной опытной плазменной установки на одном из них, а затем и на полигоне бытовых отходов в окрестностях города.

 У Курчатовского института тоже долгая история разработок по плазменной газификации. Еще в 2007 году СМИ сообщали о запуске в Израиле демонстрационной установки плазменной переработки бытовых отходов, созданной при участии научного центра. Первая в России плазменная печь для переработки твердых радиоактивных отходов также была разработана при участии ученых Курчатовского института. Новый способ переработки мусора научный центр запатентовал в 2012 году. Он предполагает не просто плазменную, а плазменно-химическую обработку отходов с участием катализатора — смеси соединений металлов, также полученной из отходов. Похожий способ тот же коллектив авторов запатентовал для переработки отходов нефтепереработки. Есть вероятность, что эти технологии будут реализованы в северных регионах России. В апреле этого года Курчатовский институт и Минприроды заключили соглашение, по которому научный центр займется актуализацией справочников наилучших доступных технологий для промышленных предприятий. Также ученые могут привлекаться и к другим проектам, в том числе по развитию Арктики. Идеальным вариантом переработки отходов в энергию для северных регионов глава Минприроды Дмитрий Кобылкин назвал как раз плазменную газификацию.

Еще одна вариация термических методов переработки твердых бытовых отходов — изготовление из них топлива. Экологические организации протестуют против такого подхода не меньше, чем против сжигания мусора: считается, что цементные заводы, где потребляется основная масса такого топлива, не очищают дым от диоксинов и других опасных веществ. Тем не менее, в России разрабатываются и свои технологии для производства такого топлива, например, сепаратор для эффективного удаления стекла из смешанных отходов, запатентованный петербургской компанией «Механобр-техника». Есть и другие варианты производства топлива из отходов, но они касаются только их органической составляющей.

Сушить или сбраживать?

Для разложения органических веществ на более простые соединения применяют не только высокие температуры, но и воду. Технологию сверхкритического водного окисления, при которой температура пара поднимается до 374 °С, российские ученые предлагают использовать в основном для уничтожения опасных отходов химических предприятий. А для переработки пищевых отходов, бумаги и дерева в Объединенном институте высоких температур РАН тестируют гидротермальную карбонизацию при температуре 240 – 280 °С. Эта технология уже старше века, но по большей части она используется для однородной биомассы — древесины, сельскохозяйственных отходов.

Ученые Объединенного института высоких температур же в экспериментах перерабатывали смешанный бытовой мусор: яблоки, мясо, бумагу и хлопковую ткань, опилки и пластик. В итоге они сделали вывод, что из смеси бытовых отходов вполне можно получать биоуголь с теплотой сгорания от 23 кДж/кг — это существенно ниже, чем у каменного и древесного угля, но больше, чем у древесины. Дальше лабораторного эксперимента пока дело не пошло. На ранних стадиях у института находятся и проекты по производству топлива из отходов животноводства: торрефикации (пиролиз при небольшом нагреве) куриного помета и аэробному сбраживанию навоза. В первом случае предполагается получить сухое топливо, во втором — биогаз с высоким содержанием метана и удобрение.

Из бытовых отходов тоже можно получить биогаз, и не только тот метан, что скапливается на мусорных полигонах. В федеральном исследовательском центре «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН реализуется проект, одним из результатов которого должно стать техническое задание на разработку экспериментальной установки для переработки органических отходов в биогаз и биоудобрения. Пока ученые прорабатывают технологии для ускорения процесса: в реакторе лабораторной установки используются повышенное давление и электропроводящие материалы. Другой вариант получения энергии из органических отходов — переработка биомассы с содержанием целлюлозы при помощи микробных электродов. При этом можно наработать небольшое количество электричества. Правда, новостей по этому проекту биологического факультета МГУ не было последние пять лет — похоже, он остался на стадии лабораторного прототипа.

Для любой из новых технологий будет плюсом предварительная сортировка сырья. Хотя и сжиганию, и плазменной переработке могут подвергаться смешанные отходы, безопаснее и выгоднее все же утилизировать однородный мусор. Немалая часть бытовых отходов состоит из вполне подходящих для промышленного использования пластика, стекла и бумаги, а органические отходы, помимо топлива, могут при должной обработке дать и удобрения.

Проекты технологий по сбору и сортировке отходов выглядят наиболее футуристически. Университет ИТМО, например, создает облачную систему управления сбором мусора. Проект на основе технологий Интернета вещей предполагает, в частности, создание контейнеров с датчиками уровня наполненности и загрязненности воздуха и доступ к этой информации для водителей мусоровозов и всех заинтересованных сторон. Институт теплофизики СО РАН, наряду с плазменными установками, разрабатывает роботизированную систему сортировки отходов. Предполагается обучить модель машинного обучения различать отходы разных типов по цвету и другим характеристикам, а сортировочную линию оборудовать оптической системой и роборукой. Реализовать разработку заодно с плазменной газификацией планируется уже в 2020 году на полигоне бытовых отходов недалеко от новосибирского Академгородка. Тем самым мусорный полигон, надеются ученые, станет полигоном для тестирования новых технологий. опубликовано econet.ru  

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet