Автоматическая сортировка мусора

Автоматизация сортировки твердых коммунальных отходов теоретически решила бы все проблемы с мусором. Инженеры постоянно трудятся в поисках наилучших технологий разделения такого непростого сырья, как твердые коммунальные отходы. К сожалению, состояние и свойства смешанных твердых коммунальных отходов меняется в течение года. Относительно сухой мусор летом, сменяет влажный осенью. В многоэтажных районах мусор по составу будет отличаться от отходов малоэтажной застройки. Предприятия торговли тоже образуют «особенный» мусор.

Когда говорят, что надо весь мусор перерабатывать, мало кто задумывается, что превратить все виды отходов в новые материалы может обойтись слишком дорого. Немыслимо дорого. Есть грань целесообразности, за которой — «чистая природа и голая задница».

Когда мусор похож на кашу, разделить его очень сложно. Можно конечно, но это потребует значительных затрат, гораздо больших, чем банальное сжигание. Это потребует дополнительную энергию, больше времени и человеческого труда. Мойка и подготовка грязного вторсырья требует значительного расхода воды, а также строительства водоочистных сооружений. Даже стоимость извлеченного вторсырья не покроет эти затраты, т.к. себестоимость полученного сырья будет выше его рыночной цены. К тому же, оно не будет достаточного качества и чистоты.

Например, такой мусор можно пропустить через биобарабан с целью ускоренной ферментации пищевых отходов в течение нескольких суток. Затем высушить и отделить грохочением, ставшую уже мелкой, органическую фракцию — получили «почво-грунт». Его можно применять для засыпки котлованов и рабочих карт на полигоне ТКО (фактически это не переработка или использование, а все то же захоронение). Остальную часть можно подвергнуть дальнейшей сепарации, но надо учитывать, что вся бумага и картон после такой обработки теряют свою ценность как вторичное сырье. Поэтому подобные остатки целесообразнее использовать в качестве вторичного топлива — RDF, нежели продолжать материальный рециклинг.

Тем не менее, цветные и черные металлы можно отделить магнитной и электродинамической сепарацией, а пластик рассортировать по видам с помощью оптической сортировки.

Принципы построения автоматических линий сортировки мусора

1. Технологии выбираются в зависимости от поступающего сырья.
2. Экономическая целесообразность зависит от степени извлечения и качества получаемого сырья.
3. Перспектива изменения вида и состава отходов.
4. Учитывается существующая практика обращения с отходами в конкретном регионе.

Твердые коммунальные отходы по виду и составу отличаются в зависимости от источника образования. ТКО в многоквартирных домах по составу отличаются от отходов в «частном секторе» и сельской местности. В многоквартирных домах больше органических отходов и отходов упаковки. Коммерческий сектор также отличается по составу мусора.

Состав мусора отличается по регионам. На Крайнем Севере и на Кубани мусор будет разный. В сыром климате и мусор будет более влажный.

Система сбора ТКО также влияет на состав мусора. При однопотоковом раздельном сборе отходов, когда все потенциальное вторичное сырье собирают в один контейнер,  возникает два потока отходов. Один — для сортировки, а другой — для сжигания или захоронения. Сортировать «кашу» из смешанных отходов, собираемых при такой схеме, экономически не обосновано. Можно, разве что, подвергать эту «смесь» механико-биологической обработке с целью аэробной ферментации или наоборот, получать биогаз анаэробным брожением. Но это не дешево и имеет смысл лишь тогда, когда нет места для свалок или мусоросжигательного завода.

Таким образом, методы автоматической сортировки выбираются для каждого потока ТКО.

Механическая сортировка отходов

Методы механической обработки отходов основаны на разных физических свойствах отдельных компонентов, находящихся в смешанном мусоре.

Для разделения отходов по размеру применяются различные методы грохочения. Смысл грохочения заключается в том, чтобы просеять мелкие части, которые не могут использоваться как вторичные материальные ресурсы.

Барабанный грохот

Самый известный и простой агрегат — барабанных грохот/сепаратор. Разделение сырья происходит за счет того, что мелкие части проходят сквозь сита определенного размера. Существуют секционные барабанные сепараторы с ситами различного размера. Это позволяет получат фракции не двух размеров, а нескольких.

Главный недостаток барабанного грохота — он засоряется пленочными материалами. Приходиться периодически вручную очищать барабан от пластиковой пленки.

Для разделения легких и тяжелых фракций используются другие машины. Например, для отделения пленки и бумаги применяются воздушные сепараторы. В них легкие материалы увлекаются сильным восходящим воздушным потоком, как пылесосом.

Дисковый грохот (сепаратор)

Дисковый грохот состоит из многочисленных параллельных валов, вращающихся в одном направлении. На каждом из этих валов установлены диски (звездочки или многоугольники), которые расположены так, чтобы диски на одном валу были расположены на середине между дисками на противоположном валу.

Валы и диски так расположены относительно друг друга, что образуют фиксированные пустоты, через которые проходит мелкий материал (например, разбитое стекло или песок), а крупный материал перемещается как дисками, так и серией вращающихся валов.

Дисковые грохоты недопустимо применять для  влажных и волокнистых материалов, т.к. они накручиваются на валы и диски, уменьшая просветы. Абразивные материалы (разбитое стекло или песок) могут изнашивать внешние поверхности валов и дисков и, таким образом, увеличивать промежутки.

Вибрационные грохоты

Вибрационные грохоты (сепараторы) работают также, как при просеивании муки через сито. Наклонная дека имеет каскады из пластин или стержней, на подобие гребешка. Вибрационные сепараторы часто применяются при сортировке нерудных материалов и строительного мусора. В отличие от барабанных грохотов эти сепараторы могут разделять влажные и слипшиеся материалы.

Некоторые конструкции вибрационных сепараторов позволяют сортировать материалы по плотности. Такие вибрационные грохоты применяются для отделения волокнистых материалов от твердых (кирпич, стекло и т.д.), металлов от пластиков и т.д..

Принцип действия баллистического сепаратора

Баллистические сепараторы работают похожим способом и позволяют отделят пленку и легкую упаковку от стекла, камней и металла. В отличие от вибрационных сепараторов баллистические позволяют разделять материал на три фракции: отсев, твердые куски 3D и легкие 2D.

Наклонная дека состоит из пластин. Пластины совершают колебательные движения в вертикальной и горизонтальной плоскости. Материал при этом слегка подбрасывается вверх. Твердые объемные куски — 3D (камни, стекло, банки, бутылки и т.д.) скатываются вниз, а легкие плоские — 2D (этикетки, бумага, картон, пленка) движутся вверх. Вниз просыпается мелочь (отсев).

Воздушные сепараторы

Аэросепараторы (пневмосепараторы) предназначены для обеспыливания и сухого разделения материалов на лёгкую и тяжёлую фракции по размеру, плотности и форме.

Воздушной сепарацией можно отделить бумагу, пленку, легкие упаковочные материалы и другие материалы, которые обычно разносит ветер по окрестностям.

Конструкция пневматических сепараторов зависит от типа и размера разделяемых материалов. Широкое применение воздушные сепараторы нашли при разделении мелких сыпучих материалов. Для повышения эффективности применяется вибрационная подача материала.

С целью повышения эффективности процесса сортировки твердых бытовых отходов применяют последовательную аэросепарацию в вертикаль­ном и горизонтальном потоке воздуха

Исходный материал загружают в вертикальный сепаратор и разделяют его в потоке воздуха. В мелкую фракцию первой стадии в основном извлекается газетная бумага и полимерная пленка. Полученная «тяжелая» фракция подвергается последующей сепарации в горизонтальном потоке воздуха. На этой стадии доизвлекается в легкую фракцию продукт, содержащий до 45% макулатуры.

Измельчение сортируемых отходов

После предварительной сортировки механическими сепараторами или до неё в некоторых случаях целесообразно использовать измельчение. Измельчение может быть грубым или более тщательным. Это зависит от поступающих отходов. Например, древесные отходы, содержащие металлические детали (поддоны, деревянная мебель) после измельчения можно отделить от металла.

Хрупкие материалы измельчаются механическим воздействием: ударом или перетиранием. Для этого используются щёковые, молотковые, роторные или конусные дробилки. Они популярны для измельчение бетонных отходов, кирпичного и керамического боя, стекла и т.д.

Волокнистые и мягкие материалы измельчаются резанием или разрыванием. Шредеры различной конструкции используются для грубого измельчение шин, картона, пластика, деревянных поддонов и т.д.

Таким образом тип измельчения и вид измельчителя выбирают исходя из вида поступающего мусора.

Магнитные сепараторы (железоотделители)

Магнитные черные металлы (консервные банки) довольно легко отделяются с помощью магнитов. Магниты бывают постоянные и электромагниты. Постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой (неодимовые, самариевые и др.) получаются дороже электромагнитов. Зато им не требуется электрическая энергия.

Распространение получили магнитные сепараторы трех типов, а именно: магнитный барабан, магнитный шкив и магнитный конвейер.

Эффективность магнитного разделения зависит от толщины слоя отходов на конвейере, а также размера и формы немагнитных материалов. Когда материалы имеют сильно развитую поверхность (картон, скомканная бумага и т.д.) при магнитной сепарации имеет место «ложный съем» немагнитного материала в месте с магнитным. Наиболее эффективно ложных съемов можно избежать с помощью магнитных барабанов. Они устроены подобно магнитным шкивам, однако не связаны непосредственно с конвейером.

Электродинамические сепараторы

Работа электродинамического сепаратора основана на взаимодействии магнитного поля индукторов с вихревыми токами, наведенными им в металлических предметах.

Наиболее часто применяются электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем, создаваемым трехфазными линейными индукторами, либо с перемещаемыми магнитами (электромагнитами). Разделение может происходить на главном барабане (шкиве) или на наклонной поверхности из пластин нержавеющей стали.

«Мокрые» способы разделения мусора

«Мокрые» способы основаны на различном поведении частиц мусора в жидкой среде. Например, в воде относительно просто разделить материалы на «плавающие» и «тонущие». При гидросепарции твердых бытовых отходов помимо разделения на «плавающее — не плавающее» в воду во взвешенном состоянии переходят органические частицы и растворимые вещества, которые могут быть выделены и направлены на дальнейшую обработку.

Флотацией можно разделять мелкие частицы по смачиваемости, но в отношении общего потока мусора флотация не применяется. Использование воды для разделения мусора на фракции ограничено в странах с холодным климатом, а также из-за необходимости в очистных сооружениях.

Системы оптической сепарации

Развитие микропроцессорной техники и совершенствование оптических сенсоров позволили создать системы автоматического распознавания материалов по цвету, размеру и химическому составу. В зависимости от заложенной программы исполнительные механизмы производят разделение материалов.

В качестве исполнительных механизмов стали популярны пневматические форсунки, «отстреливающие» нужные материалы. На этом принципе основано большинство конструкции современных оптических сепараторов. Кроме это используются механические заслонки и экраны.

Роботы-сортировщики

Стремясь исключить ручной труд при разделении мусора инженеры все больше предлагают различных роботов. Механические захваты работают также, как и человеческие руки или присоски, только не утомляются и не устают.

Для распознавания предметов роботы используют «машинное зрение». В отличие от оптического распознавания материалов системы «машинного зрения» распознают предметы по внешнему виду. В этом им помогают распределенные вычислительные мощности — нейросети. Управление осуществляется с помощью программ искусственного интеллекта, которые разрабатываются таким образом, чтобы полученные данные образа предмета сравнивались с «образцами», которые ввел человек. Чем больше параметров используется при оценке образа, тем точнее выбор робота, но и вычислительной мощности требуется больше.

Почему лучше собирать мусор раздельно, чем сортировать смешанные отходы

Раздельно собираемые отходы более однородны по своему составу. Нет сильных сезонных колебаний по содержимому. Значит процессы по их автоматизированному разделению и обработке будут более простые и экономичные.

Кроме этого, материалы, не подвергавшиеся искусственному смешиванию, содержат меньше загрязнений. Их легче рассортировать. Они в большей степени пригодны в качестве вторичного сырья. Цена их выше. Это делает их обработку более выгодной.