Laboratory studies of physical properties of pre-composted organic waste

全文:

Введение

Формирование и накопление твердых коммунальных отходов (ТКО) является общемировой социальной, экономической и экологической проблемой. Увеличение доли городского населения, рост крупных агломераций, изменение структуры сельского хозяйства в сторону автоматизации, экономический и технологический рост стран приводят не только к росту общего объема коммунальных отходов, но и к изменению их морфологии. Переход к одноразовым изделиям в медицине, общественном питании, быту и других сферах человеческой жизни, широкое распространение полимерных материалов еще более увеличивает количество мусора [2]. По оценкам ООН, объем отходов с начала 1990-х к 2025 г. возрос в 4–5 раз. Так, если в 1950-е годы в мире производилось около 5 млн т. пластиковых материалов, то сейчас — около 100 млн т [1]. В некоторых странах потенциальным решением проблемы складирования и хранения отходов является отправление отходов на вторичную переработку [4]. Несмотря на это, проблема с уже ранее накопленными в течение десятилетий отходами, представляющими собой серьезную угрозу для окружающей среды и здоровья населения, продолжает быть актуальной [5].

В Европе широко используются переработка, компостирование и сжигание мусора с восстановлением энергии. Значительные инвестиции направлены на развитие переработки и технологий WTE (Waste-to-Energy). В США более 50% отходов захоранивается, остальная часть перерабатывается или утилизируется через сжигание с восстановлением энергии. Азия сталкивается с серьезными проблемами в управлении отходами: распространены небезопасные практики, такие как открытое захоронение и сжигание. Развитые страны, например, Япония и Южная Корея, активно используют переработку и технологии WTE [3]. В России преобладает захоронение отходов, при этом начиная с 2019 г. предъявляются строгие требования к сортировке и переработке ТКО. Государственными стандартами уставлено требование к утилизации органических отходов с помощью компостирования. Техногрунт, получаемый после такой обработки, используют в качестве пересыпки отходов при складировании.

Таким образом, в России на текущий момент сформировались два типа полигонов ТКО: “старые”, где отсыпка отходов велась хаотично, и “новые” с выраженным слоистым строением. Для проектирования и прогноза сценария функционирования “новых” полигонов необходимы сведения о свойствах, строении и типах техногрунтов, используемых в качестве пересыпки.

Сведения о системах компостирования

Оптимальный способ обращения с органическими и пищевыми отходами, содержащимися в ТКО, — утилизация методом компостирования. В современной практике наибольшее распространение получила утилизация органических компонентов ТКО методами аэробного компостирования. В процессе компостирования органические отходы проходят несколько фаз аэробной ферментации и вызревания с получением стабилизированного “зрелого компоста”.

Отходы укладываются в бурты в закрытых бетонных ваннах. Система закрытого компостирования в ваннах включает установку по аэрации компостируемого сырья как необходимый конструктивный элемент для ускоренного разложения органических веществ. В нижней части ванны установлен аэрационный пол для подачи воздуха под избыточным давлением, технологически совмещенный с системой канализации, обеспечивающей удаление стоков (фильтрата), образующегося в процессе компостирования. Для аэрации используется вентилятор среднего давления, подающий атмосферный воздух через интегрированные в пол площадку аэрационные каналы непосредственно внутрь бурта, т.е. в компостируемый материал.

Контроль процесса компостирования осуществляется по следующим параметрам: влажность, концентрация кислорода, температура, парциальное давление кислорода. Изоляция процесса и исключение выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую среду, достижения параметров регулируемого аэробного процесса достигается путем применения изолирующего материала — полупроницаемой мембраны. Мембрана обеспечивает проницаемость для воздуха (в том числе СО₂) и паров воды, исключая выбросы в окружающую среду углеводородов, микроскопической пыли и бактерий.

Для дальнейшего использования полученный продукт на типовых объектах компостирования просеивают на барабанном грохоте для отделения инородных крупных включений. Результатом данной обработки является производство техногрунта, пригодного для использования только в качестве изолирующего материала для полигонов ТКО.

Методика выполнения работ

Для исследования в мае 2024 г. были отобраны две валовые пробы на комплексе по переработке твердых коммунальных отходов в Московской области. Первая проба прошла этап компостирования зимой и пролежала в отвале до мая (рис. 1а). Вторая проба отобрана непосредственно после этапа компостирования и грохочения (рис. 1б). Наименование и характеристика отобранных проб приведены в табл. 1.

 

Рис. 1. Фотографии отобранных проб: а - проба 1, б — проба 2.

 

Таблица 1. Характеристика отобранных проб техногрунта

Наименование пробы	Характеристика пробы
Проба 1	Этап компостирования пройден зимой, проба отобрана до процесса грохочения
Проба 2	Этап компостирования пройден весной, проба отобрана после процесса грохочения

 

В лабораторных условиях определены естественная влажность техногрунта и плотность твердых частиц (рис. 2а), содержание органических веществ и крупнообломочной фракции (рис. 2б), а также проведено изучение частиц техногрунта под бинокуляром.

 

Рис. 2. Определение: плотности твердых частиц (а) и содержания крупнообломочной фракции ситовым методом (б).

 

Определения физических свойств грунтов выполнялись в соответствии с требованиями ГОСТ 5180-2015. Определение естественной влажности W_e осуществлялось методом высушивания до постоянной массы, плотности твердых частиц ρ_s — пикнометрическим методом, содержания органических веществ — методом прокаливания.

При визуальном анализе установлено преобладание в грунтах песчаной фракции. В связи с этим определение содержания крупнообломочной фракции осуществлялось ситовым методом согласно ГОСТ 12536-2014. Определение содержания проводилось для частиц диаметром >10.0 мм, 10.0–5.0 мм, 5.0–2.0 мм, 2.0–1.0 мм и <1.0 мм. Определение содержания более мелких частиц не осуществлялось в связи с разрушением мелких частиц грунта при интенсивном механическом воздействии.

Метод оптической микроскопии применялся с целью изучения формы, размера частиц, а также для получения сведений о соотношении частиц различного размера в техногрунтах, отобранных до и после процесса грохочения. Исследование частиц грунта под бинокулярным микроскопом Levenhuk DTX 500 LCD проводилось с увеличением до ×500, но в основном частицы грунта до и после грохочения из-за их неоднородности и асимметричности анализировались при увеличении ×10.

Анализ полученных результатов

Согласно результатам определения содержания крупнообломочной фракции, в пробе 1 преобладают фракции размером <1.0 мм. В пробе 2 более половины частиц имеют размер от 2.0 до 5.0 мм, и также закономерно выше содержание органических веществ, которые снижают показатели плотности частиц грунта (табл. 2).

 

Таблица 2. Результаты лабораторных исследований грунтов

Наименование пробы	Содержание частиц различного размера, %					Естественная влажность грунта, %	Плотность частиц грунта, г/см3	Потери при прокаливании, %
	>10.0 мм	10.0–5.0 мм	5.0–2.0 мм	2.0–1.0 мм	<1.0 мм
проба 1	1.2	15.8	15.3	13.6	54.1	74	2.15	27.5
проба 2	0.0	10.6	53.3	17.1	18.9	38	1.91	41.1

 

В пробе 1 крупная фракция представлена осколками стекла, обломками пластика, щебнем, кусками строительного мусора, остатками древесины и перегноя (рис. 3а). В пробе 2 крупная фракция более однородная, в основном представлена остатками древесины и перегноя, а остальные компоненты содержатся в значительно меньшем количестве (рис. 3б).

 

Рис. 3. Фотографии крупных фракций после проведения гранулометрического анализа: а - проба 1, б — проба 2.

 

Для лучшего визуального наблюдения морфологии частиц при дальнейшем исследовании использовались грунты без учета частиц диаметром >2 мм при увеличении ×10.

Частицы грунта в пробе 1 характеризуются высокой степенью асимметричности и неоднородностью по морфологии (рис. 4). Наблюдается шарообразная, пластинчатая и удлиненная форма частиц. Шарообразная форма встречается наиболее часто и характерна для минеральных частиц, вероятно, с органической пленкой на поверхности либо для микроагрегатов, состоящих из частиц с органическим цементом. Пластинчатой формой обладают частицы стекла и пластика. Удлиненная форма частиц встречается наиболее редко и характерна для растительных остатков — веток, корней растений. Размер частиц разнообразен и связан с формой рассматриваемых частиц. Диаметр наблюдаемых шарообразных частиц варьирует от 0.1 до 1 см, средняя длина пластинчатых частиц составляет от 0.05 до 1 см, ширина — от 0.05 до 0.5 см, удлиненные частицы имеют длину до 2 см и ширину до 0.1 см. Таким образом, в образце грунта, не прошедшем стадию грохочения, преобладающими являются шарообразные частицы (около 57% от общего количества частиц). Реже встречаются частицы пластинчатой (около 37%) и удлиненной (около 6%) формы. Средний эквивалентный диаметр частиц составляет 0.07–0.8 см.

 

Рис. 4. Проба 1 под бинокуляром (цена деления — 0.05 см).

 

Частицы грунта в пробе 2 также неоднородны, но в меньшей степени по сравнению с частицами грунта в первой пробе (рис. 5). Преобладающая форма частиц — пластинчатая, характерная как для частиц стекла и пластика, так и для минеральных зерен с органическим веществом на поверхности. Преобладание такой формы, вероятно, объясняется разрушением микроагрегатов шарообразной формы в процессе грохочения, следовательно, песчаные частицы приобретают форму, наиболее приближенную к истинной. Шарообразные песчаные частицы и удлиненные, представленные растительными остатками, также встречаются, но в меньшей степени. Длина пластинчатых частиц варьирует от 0.1 до 1.2 см, ширина — от 0.1 до 0.6 см, диаметр шарообразных частиц составляет 0.2–0.8 см, удлиненные частицы имеют длину до 2 см и ширину до 0.4 см. Таким образом, в образце грунта после процесса грохочения преобладают пластинчатые частицы (около 62% от общего количества частиц), представленные стеклом, пластиком. Реже встречаются частицы шарообразной (около 31%) и удлиненной (около 7%) формы. Средний эквивалентный диаметр частиц составляет 0.1–0.9 см.

 

Рис. 5. Проба 2 под бинокуляром (цена деления — 0.05 см).

 

По результатам морфологического анализа установлено, что частицы грунта до процесса грохочения характеризуются более шарообразной формой, после процесса грохочения — более пластинчатой. Сходство грунтов обоих типов заключается в том, что все частицы достаточно неоднородны по своему составу и морфологии. При этом средние размеры частиц также близки. Следовательно, основное различие между техногрунтами (пробами 1 и 2) заключается в процентном содержании частиц различной формы и размера, что связано с разрушением крупных микроагрегатов в результате процесса грохочения.

Выводы

В ходе работы иследованы два типа техногрунта, отобранные из ванн компостирования: прошедшие только стадию компостирования и прошедшие и стадию грохочения.

Техногрунт, прошедший только стадию компостирования, представляет собой песок гравелистый, наполовину содержащий фракции размером менее 1 мм, с относительно невысоким значением плотности частиц (2.15 г/см³) и содержанием органических веществ 27.5%. В целом морфологический состав такого грунта достаточно неоднороден и представлен обломками стекла, пластика, остатками древесины и перегноя. Во фракциях <2.0 мм преобладают частицы шарообразной формы, характерной для минеральных частиц и микроагрегатов, состоящих из частиц с органическим цементом.

Техногрунт, претерпевший и компостирование, и грохочение, более однородный и представляет собой дресвяный грунт с преобладающей фракцией размером от 2 до 5 мм, с невысоким значением плотности частиц (1.91 г/см³) и содержанием органических веществ 41.1%. Его морфологический состав более однородный и в основном представлен остатками перегноя и древесины, а стекла и пластика значительно меньше. Частицы фракции <2 мм характеризуются в основном пластинчатой формой за счет разрушения шарообразных микроагрегатов в процессе грохочения.

Полученные результаты позволяют составить общее представление о типе и особенностях строения техногрунта, образующегося в ходе компостирования органических отходов. Также эти результаты могут быть использованы при изучении физико-механических свойств техногрунтов и оценки напряженно-деформированного состояния тела свалки в процессе эксплуатации и после ее рекультивации.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 24-27-00364.

作者简介

E. Solomatina

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: baira-lala@mail.ru
俄罗斯联邦, Ulanskii per. 13, bld.2, Moscow, 101000

G. Zarnitsyn

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

Email: baira-lala@mail.ru
俄罗斯联邦, Ulanskii per. 13, bld.2, Moscow, 101000

T. Malikova

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

Email: baira-lala@mail.ru
俄罗斯联邦, Ulanskii per. 13, bld.2, Moscow, 101000

参考

补充文件