Огонь, вода и биореакторы: как России утилизировать мусор

Нацпроектом по полигонам

На мусороперерабатывающие заводы, по данным последнего опубликованного (cм. стр. 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 в еще 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 сейчас получают 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] (http://fcpir.ru/upload/iblock/2e1/stageSummary_corebofs000080000lublg6e5gujg33s.pdf) 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] (https://www.rosatom.ru/journalist/smi-about-industry/rosenergoatom-zapustil-na-novovoronezhskoy-aes-plazmennuyu-pech-dlya-pererabotki-tverdykh-radioaktivnykh-otkhodov-141/) при участии ученых Курчатовского института. Новый способ переработки мусора научный центр [запатентовал] (https://elibrary.ru/item.asp?id=37439762) 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 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] (http://fcpir.ru/participation_in_program/contracts/14.587.21.0031/) 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.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.