Технологические процессы утилизации отходов

В современной отечественной и зарубежной литературе в качестве основных и наиболее распространенных технологий утилизации отходов выделяют следующие [51, 52, 56, 57]:

- захоронение на современных полигонах твердых отходов производства и потребления, включающих системы сбора и очистки фильтрата, инженерную подготовку территории, гидроизоляционную защиту основания, ак­кумуляцию и использование биогаза;

- сжигание, реализуемое как высокотемпературный пиролиз, паровоздушная газификация твердых отходов производства и потребления в сверхадиабатическом режиме, термообезвреживание отходов во вращающихся печах, плазменное сжигание в барбатируемом слое и др.;

- компостирование органической части отходов, биохимическое разложение отходов (модель биореактора);

- сортировка, прессование и брикетирование;

- сортировка и вторичная переработка твердых отходов производства и потребления.

Применяемые способы утилизации отходов в зарубежных странах представлены в табл. 1. Для России согласно [57] процент от общего накопления твердых отходов потребления распределяется следующим образом: складирование на полигонах (свалках) 97 %, сжигание 2,7 %, компостирование 0,7 %.

Из данных табл. 1 видно, что первое место по распространенности применения занимает захоронение, на втором – сжигание, на третьем – компостирование и на четвертом – использование в качестве вторсырья при условии предварительной сортировки. Каждый из существующих методов утилизации имеет свои преимущества и недостатки, а также могут быть реализованы различными способами (и видами).

Таблица 1.

Способы утилизации отходов в некоторых странах

Так, захоронение имеет следующие недостатки [51, 55]:

- большая потребная площадь земли;

- сложность организации новых свалок и полигонов в связи с отсутствием свободных земельных участков, не обладающих сельскохозяйственной ценностью;

- значительные траты на транспортирование твердых отходов потребления от мест их сбора до мест захоронения;

- потеря ценных компонентов твердых отходов потребления;

- экологическая опасность (возможное загрязнение грунтовых вод, атмосферы, просадка грунта, распространение неприятных запахов, потенциальная опасность в отношении пожаров и распространения инфекций);

- длительность процесса обеззараживания мусора;

- значительные траты на рекультивацию земли и т.д.

В качестве положительных сторон захоронения можно выделить [51, 55]:

- наиболее дешевый из всех существующих методов;

- захоронению подлежат все фракции твердых отходов потребления, необязательно сортировать мусор, что наиболее характерно для стран, где отсутствует сортировка в местах образования твердых отходов потребления.

Захоронение может быть реализовано следующими способами: захоронение на полигонах с получением и утилизацией биогаза и захоронение на свалках.

Однако эффективность реализации существующих способов утилизации зависит от эффективности реализации покомпонентной и пофракционной сортировки твердых отходов производства и потребления. Сортировка с извлечением ценных компонентов для последующего вторичного их использования занимает в настоящее время последнее место среди существующих способов, однако единственным препятствием для реализации данного функционального элемента системы является отсутствие раздельного сбора мусора в условиях РФ. Это и является недостатком данного элемента. В качестве преимуществ можно выделить [51, 55]:

- использование ВМР, что продлевает «жизнь» отработанных товаров и позволяет экономить природные ресурсы и финансовые средства для их добычи;

- возможность получения дохода от реализации ВМР;

- малый объем твердых отходов производства и потребления после выделения ценных компонентов направляется на захоронение.

Сортировка как промежуточный функциональный элемент классификационной схемы может быть реализована различными методами (механический, гидродинамический, аэродинамический) и способами (грохочение, гидравлическая классификация, воздушная сепарация, селективный сбор).

Следующий по распространенности использования метод утилизации – сжигание. Недостатки в этом случае следующие [51, 55]:

- высокий уровень образования диоксинов и кислых газов;

- сложность стабилизации процесса сжигания;

- большой остаток шлака, загрязняющий в последствии почву;

- высокая капиталоемкость технологического оборудования;

- при отсутствии эффективной сортировки уничтожение ценных компонентов.

К преимуществам сжигания можно отнести [51, 55]:

- снижение объема твердых отходов потребления примерно в 10 раз от первоначального;

- снижение риска загрязнения почвы и грунтовых вод;

- возможность ликвидировать твердые и пастообразные отходы без предварительной обработки, а также отходы с повышенной влажностью;

- возможность получения горючего газа, который можно использовать как топливо;

- возможность рекуперации образующегося тепла.

Сжигание может быть реализовано с помощью теплофизического метода следующими способами: сжигание (или огневое обезвреживание), переплав, пиролиз (термическая деструкция), обжиг. В свою очередь, сжигание может быть слоевое, камерное или в кипящем слое. Пиролиз бывает двух видов: окислительный и сухой, который, в свою очередь, бывает низко-, средне- и высокотемпературным и т.д. [51, 55]

Компостирование в РФ применяется достаточно редко из-за отсутствия сортировки на этапе образования мусора. Данный функциональный элемент имеет следующие недостатки [51, 55]:

- низкое качество продукции (компоста) из-за отсутствия учета состава и свойств исходного сырья;

- проблема сбыта компоста из-за его низкого качества.

Положительной стороной реализации компостирования является получение удобрения или биогаза, но только при тщательной сортировке твердых отходов потребления.

Выделяют следующие способы реализации компостирования:

- аэробное биотермическое компостирование (с получением удобрения);

- анаэробная ферментация (с получением биогаза) [58].

Рассмотрим более подробно каждый из представленных методов утилизации отходов.

Захоронение. Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» в ст. 12 установил требования к объектам размещения отходов. Создание таких объектов – специально оборудованных сооружений (полигонов, шламохранилиш, отвалов горных пород и др.) – допускается на основании разрешений, выданных специально уполномоченными Федеральными органами исполнительной власти. При этом определение места строительства объектов размещения отходов осуществляется на основе геологических, гидрогеологических и иных исследований и при наличии положительного заключения государственной экологической экспертизы [20].

В целях снижения загрязнения окружающей природной среды вместо неконтролируемых свалок строят полигоны для твердых отходов, которые эксплуатируются во многих городах России. Для них обычно выбирают место в глинистом грунте, в котором можно складировать отходы в течение 20-25 лет и более. Основание выбранной площадки делают в виде большого корыта глубиной 1,5 м и более Для скапливания в нем фильтрата. Если глинистого грунта нет и основание для полигона приходится делать в водопроницаемых грунтах, дно корыта выстилают слоем привозной глины толщиной 0,5 м (рис. 18) [59].

1 – лесозащитные полосы (зеленая зона); 2 – промежуточный изолирующий слой; 3 – отходы; 4 – укрывающий наружный слой растительного грунта; 5 – естественное и искусственное водоупорное основание (глина)

Рис. 18. Схема разреза полигона для твердых отходов

В течение суток вывозят отходы на одну площадку полигона и. уплотняют бульдозерами послойно до 2-метровой высоты. На следующий день отходы вывозят на другую площадку, а предыдущую укрывают изолирующим слоем грунта толщиной 0,25 м. Такая изоляция и последующее уплотнение грунта препятствуют загрязнению воздушной среды, а также распространению насекомых и грызунов. В целях снижения площади полигон загружают послойно до высоты 60 м и более. После заполнения полигона поверхность пос­леднего покрывают растительным грунтом. Для размещения полигонов твердых отходов потребления часто используют овраги и другие неудобные для сельского хозяйства земли. После полной загрузки полигона и покрытия растительным грунтом поверхность его можно использовать для устройства парков, садов, игровых площадок и других целей [59].

Рассмотрим проблемы, связанные с захоронением твердых отходов потребления в так называемых могильниках. В их число входят: 1) вымывание веществ и загрязнение грунтовых вод; 2) образование метана; 3) просадка грунта.

Наиболее серьезной из перечисленных является первая проблема. По мере просачивания воды сквозь любой материал, в ней растворяются и с ней выносятся различные химические вещества. Такая вода, проходя через отходы, образует особенно ядовитый фильтрат; в нем наряду с остатками разлагающейся органики присутствуют железо, ртуть, свинец, цинк и другие металлы из ржавых консервных банок, негодных батареек и электроприборов, а также красители, пестициды, моющие средства и другие химикаты. Этот ядовитый раствор поступает в подземные водоносные горизонты, и оттуда вредные вещества могут попасть и в питьевые воды. Сообщается, что по этой причине зоной настоящего кризиса стала Флорида (США). Здесь много закрытых свалок расположено в заболоченной местности, а большую (около 90%) часть питьевой воды жители получают за счет грунтовых вод. Очистка подобных свалок (а их насчитывается более 200 на территории указанного штата) обойдется в 10 млн. долларов. Это изнанка на первый взгляд «деше­вого» способа ликвидации отходов [59].

Образование метана это вторая проблема. Так как у захороненного мусора практически нет доступа к кислороду, его разложение идет анаэробно, при этом образуется легковоспламеняющийся метан. Он может распространяться в земле горизонтально, проникать в подвалы зданий, накапливаться там и взрываться при искрении или зажигании. В США известны случаи разрушения более 20 домов, расположенных на расстоянии до 300 м от свалок, причем взрывы привели к жертвам. Кроме того, метан способен распространяться вверх, при этом отравляя корни и губя раститель­ность, а также вызывая эрозию почвы. В ряде городов указанную проблему решают путем устройства на месте свалок «газовых скважин», перехватывающих образующийся метан, который можно впоследствии использовать как топливо или для других целей [59].

Наконец с течением времени по мере разложения отходы проседают. При этом образуются неглубокие впадины, в них скапливается вода и весь участок впоследствии превращается в болото с ядовитой водой.

Все вышеизложенное требует новых подходов к устройству мо­гильников (рис. 19) [59].

Сжигание твердых отходов. Сжигание твердых отходов в кострах или примитивных печах нельзя считать целесообразным ни с экономической ни, тем более, с экологической точек зрения. При этом не только загрязняется воздушная среда, но и не используется образующаяся тепловая энергия. Ряд специалистов считает, что оно может, быть оправдано только в том случае, если сочетаются утилизация тепловой энергии и очистка отходящих газов. Такой процесс происходит на мусоросжигательных станциях (заводах), которые имеют паровые или водогрейные котлы со специальными топками. Температура в топке должна быть не менее 1000°С, чтобы сгорели все дурнопахнущие примеси. Однако перед выбросом в атмосферу газы следует очищать, например, с помощью электрических фильтров [51, 55].

На сегодняшний день в России работает относительно немного мусоросжигающих заводов (Москва-2, Владивосток, Сочи, Пятигорск, Мурманск и др.). Так как не предусматривается, второй стадии газовой очистки, в золе отмечается повышенная концентрация диоксинов (до 1 мкг/кг) [6]. Кроме того, в расчете на 1 кубометр сжигаемых отходов в атмосферу поступает 3 кг вредных веществ (пыль, сажа, газы) и образуется 23 кг золы.

На ряде зарубежных мусоросжигающих заводов применена двухстадийная очистка отходящих газов, которая позволяет извлекать более 10 вредных компонентов. При этом производится предварительная сортировка отходов, что способствует резкому снижению вредных веществ в газах и шлаках.

Рис. 19. Схема совершенного захоронения отходов с системой защиты окружающей среды

Выбор сжигания или компостирования для обезвреживания твердых отходов зависит от местных условий. В интересах сельского хозяйства, очевидно, компостировать отходы целесообразнее в Нечерноземных районах. Что касается мусоросжигания, оно, как способ использования твердых отходов производства и потребления, должно рассматриваться как пройденный этап. Например, в европейских странах за последние 10 лет не введен ни один мусоросжигающий завод; сжигают лишь то, что остается после сортировки и утилизации. Это, в частности, объясняется тем, что при сжигании мусора с самым разнообразным сочетанием компонентов образуется огромное количество вредных продуктов, содержащих такие опасные вещества, как диоксины, фосген, синильная кислота и другие, а также золы и шлаки неизвестного состава и с непредсказуемыми свойствами [51, 55].

Компостирование.Компостами называют органические удобрения, получаемые в результате разложения растительных и животных остатков микроорганизмами. Для их приготовления используют навоз, навозную жижу и помет птиц в смеси с различными видами торфов, городской мусор, опавшие листья деревьев, солому и другое. При компостировании в органической массе повышается содержание питательных веществ (азота, фосфора) в усвояемой растениями форме, обезвреживается патогенная микрофлора, уменьшается количество целлюлозы и пектиновых веществ; удобрения становятся сыпучими, что облегчает их внесение в почву. Разные по составу и способу приготовления ком посты применяют под многие культуры,, выра­щиваемые на различных почвах, кроме торфяно-болотных. Компосты часто используют вместо остродефицитных органических удобрений (навоз, торф). В специальных компостных установках процесс разложения целенаправленно регулируется: создается температура до 70°С, при которой погибают микробы и семена сорных растений. Ныне признается, что компостирование – вполне рациональный, способ ликвидации определенных отходов, почти не оказывающий вредного воздействия на окружающую среду. Однако, при переработке отходов, содержащих металлы, последние могут накап­ливаться в компосте в больших количествах. Во избежание загрязнения компоста тяжелыми металлами последние стараются заблаговременно удалить [51, 55].

В настоящее время наиболее совершенным считается непрерывный процесс компостирования с аэробным окислением органических отходов во вращающемся наклонном барабане. Туда поступает частично освобожденный (при помощи магнитов или вручную) от металлического лома мусор. Для его окисления в барабан вентилятором подается горячий воздух. Отходы находятся в барабане около трех суток. Процесс протекает с выделением тепла, вследствие чего компостируемая масса обезвреживается, а бумажная масса и пищевые отходы измельчаются в частицы размером 1-2мм. После дополнительной сепарации металла мусор попадает на грохот для отделения некомпостируемых отходов: резины, кожи, дерева, цветного металла и полимерных металлов. Далее компостируемый материал из грохота поступает в измельчитель, после чего компост может быть использован в сельском хозяйстве.

Признается целесообразным осуществлять совместное обезвреживание и переработку твердых отходов потребления и осадка СВ. Такая технология способствует насыщению компоста разнообразной полезной для почвы микрофлорой и микроэлементами и позволяет поддерживать биотермический процесс в оптимальном режиме. При этом гибнет большинство болезнетворных микроорганизмов, яйца гельминтов, личинки мух.

Такие органические отходы, как навоз, остатки ботвы, сорняки, опилки и многие другие, могут стать источником дешевой и, что важно, возобновляемой энергии. Для этого необходимо получить так называемый биогаз.

Биогаз производят способом, который называют «метановым сбраживанием» в анаэробных условиях, то есть без доступа воздуха. Этот процесс осуществляется в результате жизнедеятельности двух групп микроорганизмов, которые действуют в два этапа. Вначале в работу включаются кислотообразующие бактерии, расщепляющие сложные органические вещества (белки, жиры и углеводы, содержащиеся в отходах) до более простых. Вследствие их деятельности образуются так называемые первичные продукты бро­жения – жирные кислоты, спирты, водород, оксид углерода и ряд других веществ. Они служат источником питания для другой группы микробов – метанообразуюших бактерий, вступающих в «работу» на второй стадии. Бактерии из этой группы превращают продукты, которые образовались в ходе первого этапа, в метан, диоксид углерода и небольшое количество других соединений [51, 55, 59].

С целью создания надлежащих условий жизнедеятельности бактерий строят специальные бродильные камеры – биореакторы. В них поддерживают определенный температурный режим, давление, кислотность среды, а также следят за тем, чтобы в реактор не поступал кислород из атмосферы.

Получение биогаза из органических отходов привлекает внимание в связи с энергетическим кризисом. Ныне в мире эксплуатируется более 8 млн. установок для получения биогаза, в том числе промышленных [59].