 |
методы переработки и использования отходов потребления и производства
|
|
|
|
Загрязнение почв
Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их деление дается по-разному. Можно назвать следующие классы загрязнителей почвы:
‒ мусор, выбросы, отвалы, отстойные породы ‒ в эту группу входят различные загрязнения смешанного характера, включающие как твердые, так жидкие вещества, не слишком вредные для организма человека, но засоряющие поверхность почвы, затрудняющие рост растений на этой площади;
‒ тяжелые металлы ‒ данный вид загрязнений представляет значительную опасность для человека и других живых организмов, так как тяжелые металлы нередко обладают высокой токсичностью и способностью к кумуляции в организме (Pb, Cd, Cu, Cr, Ni, Co, Hg, As, Mn);
‒ пестициды ‒ химические вещества, широко использующиеся в качестве средств борьбы с вредителями культурных растений и поэтому находящиеся в почве в значительных количествах. По своей опасности для животных и человека они приближаются к предыдущей группе. Пестициды губительно действуют на почвенную микрофлору: бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли;
‒ микотоксины ‒ данные загрязнения не являются антропогенными, потому что выделяются некоторыми грибами, однако по своей вредности для организма стоят в одном ряду с предыдущими;
‒ радиоактивные вещества ‒ по своим химическим свойствам практически не отличаются от аналогичных нерадиоактивных элементов и легко проникают во все живые организмы, встраиваясь в пищевые цепочки. Существуют и природные источники загрязнений радиоактивными соединениями, но основная масса наиболее активных изотопов с небольшим периодом полураспада попадает в окружающую среду антропогенным путем: в процессе производства и испытаний ядерного оружия, из атомных электростанций, особенно в виде отходов и при авариях, при производстве и использовании приборов, содержащих радиоактивные изотопы, и т.д.
|
|
|
Управление отходами: основные понятия и определения
Проблема твердых отходов заключается в ее многообразном и все возрастающем влиянии на состояние окружающей среды. Высокие темпы роста промышленного производства сопровождаются соответствующим расширением потребления – природных ресурсов, резким увеличением количества отходов, усилением воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду.
Методы утилизации отходов во многом определяются спецификой хозяйства и характеристикой самих отходов.
К применяемым способам переработки отходов промышленного производства предъявляются следующие требования:
‒ широкое внедрение различных технологий механического обезвреживания и переработки твердых отходов, в том числе: механическая сортировка, измельчение и последующая термическая обработка отходов; сжигание многих видов твердых отходов и органики на мусоросжигательных заводах, переплав, обжиг шлаков и др.;
‒ существенное увеличение масштабов переработки отходов с извлечением ценного сырья;
‒ сортировка, обеззараживание и складирование отходов на специальных полигонах и свалках с обеспечением экологически безопасных условий хранения (аэробное биотермическое компостирование) и захоронение отходов. Хранилища должны быть непроницаемыми для грунтовых вод.
Один из перспективных путей ‒ создание производственных комплексов по переработке отходов в пределах регионов.
Отходы производства – остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образующиеся в процессе производства продукции, которые частично или полностью утратили свои качества и не соответствуют стандартам.
|
|
|
Отходы потребления – различные бывшие в употреблении изделия и вещества, восстановление которых экономически нецелесообразно.
Твердые бытовые отходы – отходы, образующиеся при разнообразной деятельности людей в условиях жилья, учреждений и подразделений различного профиля (административно-управленческого, образовательного, медицинского, культурно-просветительного, спортивного и т.п.), пунктов общественного питания, улиц, общественного транспорта, мест отдыха и т.п.
Вторичные материальные ресурсы – совокупность отходов производства и потребления, которые могут быть использованы в качестве сырья для выпуска полезной продукции.
Например, макулатура ‒ для производства бумаги; стеклянный бой ‒ стекла; металлический лом ‒ металла; зола, пыль, шлаки ‒ строительных материалов и конструкций; отработанные масла и нефтепродукты ‒ для производства масел.
При сборе отходов важно разделять их по физическим признакам (на классы), по химическому составу (на группы и марки), по показателям качества (на сорта) в зависимости от дальнейшего использования, способа переработки, утилизации или захоронения.
Классификация отходов уже на стадии сбора позволяет намного упростить и удешевить дальнейшую переработку за счет исключения или сокращения расходов на их разделение.
Опасные отходы – отходы, содержащие вредные вещества, которые обладают опасными свойствами (токсичностью, пожаровзрывоопасностью, высокой радиационной активностью) или содержат возбудителей инфекционных болезней, а также представляющие потенциальную опасность для окружающей природной среды и здоровья человека самостоятельно или при вступлении в контакт с другими веществами.
 |
При управлении отходами используется ряд понятий и определений.
Обращение с отходами – деятельность, в процессе которой образуются отходы, а также производится сбор, использование, обезвреживание, транспортировка и размещение отходов.
Размещение отходов – хранение и захоронение отходов.
Хранение отходов – комплекс работ, обеспечивающих содержание отходов в объектах размещения отходов в целях последующего захоронения, обезвреживания или использования.
|
|
|
Захоронение отходов – изоляция отходов, не подлежащих дальнейшему использованию, в специальных хранилищах, исключающих попадание вредных веществ в окружающую природную среду.
Использование отходов – применение отходов для производства товаров (продукции), выполнения работ, оказания услуг или для получения энергии.
Обезвреживание отходов – обработка отходов, в том числе сжигание и обезвреживание отходов на специализированных установках, в целях предотвращения вредного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую природную среду.
Классификация отходов
Прежде чем рассматривать пути обезвреживания или повторного использования отходов необходимо определить природу отхода, то есть установить:
– агрегатное состояние, вязкость, температуры плавления и кипения, плотность, цвет, запах и т.д.;
– химический состав: концентрацию извлекаемого компонента в отходе, концентрацию особо опасных и вредных компонентов;
– коррозионные свойства;
– объем и место образования.
Основываясь на этом отходы можно классифицировать по следующим характеристикам:
1. По агрегатному состоянию:
– твердые – отходы, получаемые в виде порошков, пыли, слитков или затвердевшей массы. К ним относятся огарки, зола, частицы пыли и сажи, отходы пластмасс и резины, металлсодержащие остатки после обогащения руд, органические разлагающиеся остатки;
– жидкие – отход, почти полностью состоящие из жидкой фазы и содержащие растворенные в воде или других растворителях щелочи, кислоты, соли, а также примеси взвешенных частиц. Причем количество взвешенных частиц не превышает уровня, при котором происходит их осаждение, а концентрация растворимых веществ не должна превышать предел растворимости, при котором происходит их кристаллизация из раствора при обычных условиях. К ним относятся производственные сточные воды (не требующие специальной обработки и загрязненные токсичными и ядовитыми соединениями), отработанные органические растворители и органические токсичные жидкости (производство пестицидов).
|
|
|
– газообразные – газовые выбросы промышленных печей, сушильной аппаратуры, газовые выделения химических процессов и т.д. Сюда относятся различные дымы, газы, содержащие дисперсные твердые или жидкие частицы в виде тумана, а также содержащие NOx, SO2, HCl, HF и др., пары органических веществ, паровоздушные смеси, загрязненные токсичными примесями.
В зависимости от агрегатного состояния отходов выбирается способ и технология обращения с ними (сжигание, утилизация, захоронение), а также способ хранения. Например, газообразные хранят в специальных емкостях или резервуарах, жидкие – в герметичных контейнерах, твердые – в контейнерах, на полигонах, площадках и т.д.
2. Классификация по источникам их образования, основанная на отраслевом принципе. С учетом отраслевого принципа отходы промышленного производства делятся на:
– отходы черной металлургии;
– отходы цветной металлургии;
– отходы химической промышленности;
– отходы угольной промышленности;
– отходы деревообрабатывающей промышленности;
– отходы других отраслей промышленности.
3. Все промышленные отходы можно разделить на два вида: токсичные и нетоксичные. В основной массе твердые отходы нетоксичны. Примерами токсичных отходов могут служить шламы гальванических цехов и травильных ванн.
4. Отходы можно классифицировать на:
– металлические;
– неметаллические (химически инертные (отвалы породы, зола и т.д.) и химически активные (резина, пластмассы и т.д.);
– комбинированные (различный промышленный и строительный мусор).
Методы утилизации и ликвидации твердых отходов
Существуют следующие методы обезвреживания и захоронения твердых отходов:
– термическая обработка;
– биологическое окисление в условиях, моделирующих естественные;
– складирование отходов на поверхности земли.
Термическая обработка отходов
Сжигание отходов – наиболее распространенный и надежный способ обезвреживания и утилизации отходов.
Его основное преимущество – сокращение объема отходов в десять раз, а их массы – в три раза. Сжигание позволяет устранить некоторые неприятные свойства бытовых отходов: запах, выделение токсичных жидкостей, бактерий, привлекательность для птиц и грызунов, а также получить дополнительную энергию, которую можно использовать для получения электричества или отопления.
Сжигание осуществляется в высокотемпературных химических реакторах – печах. В них должны обеспечиваться:
– хорошее перемешивание для развития поверхности контакта фаз и для ускорения внешней и внутренней диффузии кислорода с целью максимального окисления органической части отходов;
|
|
|
– высокая температура, достаточная для полного обезвреживания токсичной части отходов.
Чаще всего применяют барабанные и камерные печи.
В барабанных печах (при вращении барабана) отходы проходят несколько температурных зон: подсушивания, подготовки к сжиганию, воспламенения, горения, дожигания. В зоне подсушивания применяют отходящие дымовые газы с температурой 800–1000ºС. В зоне подготовки происходит частичная отгонка летучих органических продуктов; температура образующейся смолы достигает 300ºС – температуры воспламенения отдельных составляющих отходов.
Горение твердой массы (во всех типах печей) начинается при ~600ºС. Температуру в зоне горения поддерживают в пределах 1100–1500ºС.
В дымовых газах для сжигания отходов содержатся пыль и газообразные вещества: СО2, Н2О, хлороводород, фтороводород, диоксид серы, оксиды азота, СО, органические соединения, тяжелые металлы (свинец, ртуть, хром, мышьяк и т.д.). Вид и количество вредных веществ в неочищенных отходящих газах установки для сжигания зависят от состава отходов, конструкции топки, условий работы печи. Количество выделяющихся оксидов азота, монооксида углерода, органических веществ определяется условиями сжигания и может поддерживаться на определенном уровне, содержание HCl и HF в продуктах сгорания зависит только от состава отхода.
В процессе сжигания отходов, особенно в условиях недожога, образуются чрезвычайно токсичные соединения – полихлордибензодиоксины и полихлордибензофураны.
Существует два принципиальных механизма образования диоксинов и фуранов:
– из углерода в процессе его окисления при избытке кислорода в присутствии соединений хлора и соединений меди как катализаторов (в реакции практически участвуют углеродсодержащие частицы летучей золы, хлориды, источником которых могут быть хлорсодержащие пластмассы типа ПВХ, и соединения меди);
– из соединений, которые уже имеют похожую структуру, например из хлорбензолов и хлорфенолов.
При термической переработке можно отметить два пути образования диоксинов и фуранов:
– первичное образование в процессе сжигания отходов при температуре 300–600ºС;
– вторичное образование на стадии охлаждения дымовых газов, содержащих HCl, соединения меди (железа) и углеродсодержащие частицы при температуре 250–450ºС (реакция гетерогенного оксихлорирования частиц углерода).
Температура начала распада диоксинов 700ºС, нижний температурный предел образования – 250–350ºС.
Для того, чтобы при сжигании обеспечить снижение содержания диоксинов до требуемых норм (0,1 нг/м3), должны быть реализованы так называемые первичные мероприятия, в частности «правило двух секунд» (геометрия печи должна обеспечить продолжительность пребывания газов не менее 2 с в зоне печи с температурой не менее 850ºС (при концентрации кислорода не менее 6%). Однако достижение максимальных температур при сжигании полностью не решает проблему снижения концентрации диоксинов в отходящих газах, так как не учитывает способность диоксинов к новому синтезу при снижении температуры.
Теоретически возможны два способа подавления образования диоксинов:
– связывание образующегося при сжигании HCl с помощью соды, извести или гидроксида калия;
– перевод в неактивную форму ионов меди и железа, например связывание меди в комплексы с помощью аминов.
Пиролиз твердых отходов
Пиролиз – процесс термической переработки твердых отходов путем высокотемпературного нагрева без доступа воздуха (вследствие чего становится невозможным их горение).
Процесс пиролиза применяют при переработке отходов древесины, пластмасс, резиновых изделий и шламов нефтепереработки. При пиролизе макромолекулярных органических веществ происходит разложение больших молекул на мелкие. Процессы распада молекул имеют сложный механизм и окончательно невыяснены. Также сложен и состав продуктов реакций.
После проведения пиролиза остаются два основных продукта – твердые остатки (пиролизный кокс) и коксовый газ. После охлаждения коксовый газ разделяется на две фракции: пиролизный конденсат (состоящий из сложной смеси различных дегтеподобных и маслянистых веществ и воды) и пиролизный газ (остающийся после конденсации).
Пиролиз проводят в вертикальных цилиндрических печах периодического и непрерывного действия с наружным и внутренним обогревом. Нагрев обеспечивают с помощью электрической дуги, токов высокой частоты или применением твердых теплоносителей (расплавов солей, продуктов пиролиза твердого топлива и др.). Пиролиз ведут при 300–900ºС в зависимости от требуемого состава газообразных продуктов. Состав газов зависит от состава перерабатываемых отходов и содержания кислорода в зоне пиролиза.
Так как пиролиз проводят без доступа воздуха, то подлежащие очистке газы имеют небольшой объем. При пиролизе образуются газы: сероводород, органические соединения серы, циановодород, галогеноводороды и органические галогенсодержащие соединения. Последующее сжигание этих газов приводит к образованию диоксида серы, оксидов азота, органических и неорганических веществ, содержащих галогены, которые необходимо удалять из продуктов сгорания.
Твердый остаток пиролиза может быть утилизирован как наполнитель для пластических масс и резин, как сорбент.
Различия между термолизом (сжиганием) и пиролизом органических отходов
| Сжигание отходов | Пиролиз отходов | |
| Температура | Обязательна высокая температура | Достаточна относительно небольшая температура (450ºС) |
| Условия процесса | Необходим избыток воздуха (окислительные условия, окисляются металлы) | Отсутствие кислорода (восстановительные условия, металлы не окисляются) |
| Поступление тепла | Непосредственно за счет выделяющейся теплоты реакции | Большей частью через теплообменники |
| Основные продукты реакции | СО2, Н2О, зола, шлаки | H2, CnHm, CO, твердые углеродные остатки |
| Газообразные вредные вещества | SO2, SO3, NOx, HCL, HF, тяжелые металлы, пыль | H2S, HCN, NH3, HCL, HF, фенолы, смолы, пыль |
| Объемы газа | большие | малые |
| Происходящие процессы | Зола спекается в шлак, уход влаги | Отсутствие процессов сплавления и спекания, уход влаги |
| Предварительная обработка отхода | Не является необходимым предварительное измельчение и дробление, но благоприятно | Необходимо предварительное измельчение и равномерное дробление |
Санитарное захоронение твердых отходов
Санитарное (контролируемое) захоронение отходов является альтернативой современной практике сброса отходов на открытые свалки.
Отходы, не подлежащие переработке и дальнейшему использованию в качестве вторичных ресурсов (переработка сложна и экономически невыгодна или которые имеются в избытке), подвергаются захоронению на полигонах.
В хранилищах бытовых отходов происходит образование газов, которое связано с протеканием анаэробных микробиологических реакций с органическими компонентами бытовых отходов. Эти газы содержат преимущественно метан, диоксид углерода, азот. Также образуются сероводород, меркаптаны (R–SH), альдегиды (R–CHO). Газовый состав зависит от длительности хранения отходов. В течение первых нескольких недель протекает аэробная фаза брожения, а затем – анаэробное кислое брожение (гниение), которое может продолжаться несколько лет.
В хранилищах промышленных отходов микробиологические процессы обычно не протекают, так как концентрация ядовитых веществ в отходах намного превосходит предел их токсичности для микроорганизмов.
При воздействии осадков и грунтовых вод на складируемые отходы образуются просачивающиеся воды, состав которых зависит от вида хранящихся отходов. В хранилищах промышленных отходов просачивающиеся воды содержат те же вещества, что и сами отходы, из хранилищ бытовых отходов в первую очередь вымываются продукты брожения и гниения.
Для предотвращения загрязнения окружающей среды полигон для захоронения отходов должен быть обустроен природоохранными техническими средствами, обеспечивающими перехват водных и газовых эмиссий, формируемых структурой отходов. К таким средствам относятся: противофильтрационный экран в основании полигона, система дренажа для сбора фильтрата в основании полигона, система дренажа для отвода поверхностного стока с прилегающих территорий, система откачки и очистки свалочного фильтрата, газодренажная система, система откачки и обезвреживания (утилизации) газовых эмиссий, непроницаемый поверхностный рекультивационный экран.
Компостирование
Компостирование – способ переработки отходов, основанный на естественном биологическом разложении (перегнивании) органического вещества в присутствии воздуха.
В таблице приведены виды отходов, подвергающиеся компостированию.
| Особенности отходов по отношению к компостированию | Виды отходов |
| Предпочтительные | Растительные остатки, пищевые отходы, бумажные отходы |
| Обычные | Отходы животного происхождения, древесные отходы, отработанный ил |
| Непоощряемые | Перерабатываемые материалы, инертные компоненты |
| Непригодные | Металлы, опасные отходы, медицинские отходы |
Сущность процесса компостирования заключается в следующем. Разнообразные, в основном теплолюбивые, микроорганизмы активно растут и развиваются в толще мусора, в результате чего происходит его саморазогревание до 60ºС. При этой температуре погибают болезнетворные и патогенные микроорганизмы. Разложение твердых органических загрязнений в бытовых отходах продолжается до получения относительно стабильного материала, подобного гумусу (20–30 суток). При этом получают биотопливо (метан) и органические удобрения.
Переработка отходов проводится на мусороперерабатывающих заводах. Технологическая схема состоит из трех этапов:
- прием и подготовка отходов ‒ требует приемного бункера, питателей, транспортеров, магнитных сепараторов;
- биотермический процесс ‒ происходит в горизонтальных вращающихся барабанах;
- обработка отходов ‒ производится с применением магнитных сепараторов, дробилок.
Для получения исходного сырья из компоста сначала из него удаляют пластмассы, черные и цветные металлы, стекло и т.п. Затем измельчают. В отдельных случаях также добавляют ил из очистных сооружений. Процесс биотермического обезвреживания или компостирования происходит в горизонтальных вращающихся барабанах. После обработки компост отправляется на склад готовой продукции – площадку дозревания компоста.
Недостатком компостирования является необходимость складирования и обезвреживания некомпостируемой части мусора, объем которой составляет значительную часть общего количества мусора.
Система переработки отходов, совместимая с окружающей средой
При разработке совместимой с окружающей средой системы переработки отходов ставятся следующие задачи:
– снижение количества отходов уже в процессе производства продукции;
– уменьшение отходов за счет их сортировки при сборе;
– широкое вторичное использование материалов, полученных из отходов;
– удаление остающихся после переработки отходов с минимально возможным риском для окружающей среды и здоровья человека.
В прошлом основное внимание уделялось оптимизации технологических процессов производства только конечного продукта. Расходы на удаление отходов составляли малую часть производственных затрат. Сегодня вводятся малоотходные технологии, которые наряду с оптимизацией производственных процессов с целью снижения количества отходов предусматривают также вторичное использование отходов.
|
|
|
