Особенности технологического обеспечения процесса обращения с отходами потребления

УДК 658.567.1

К.П. Колотырин

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ПРОЦЕССА ОБРАЩЕНИЯ С ОТХОДАМИ ПОТРЕБЛЕНИЯ

Рассматриваются технологические особенности утилизации отходов потребления, выделяются наиболее приемлемые технологические

направления утилизации отходов для России, показываются современные тенденции в утилизации отходов.

Отходы потребления, утилизация

K.P. Kolotyrin

TECHNOLOGICAL MAINTENANCE FEATURES OF HOUSEHOLD WASTE CIRCULATION PROCESS

The technological features of consumption waste utilization are considered here. The most acceptable technological directions of waste utilization for Russia are excreted; the modern tendencies in waste utilization are described.

Consumption residue, utilization

С проблемой размещения отходов потребления столкнулись все регионы России в связи с резким увеличением их количества в последние годы. С каждым годом требуется все большее количество территорий под захоронение отходов, причем следует отметить, что ситуация с накоплением отходов развивается непредсказуемо.

Образование большого количества отходов за последующие 10-15 лет может серьезно подорвать сырьевую базу регионов и ввести в действие еще один фактор риска регионального загрязнения среды обитания.

Возможные последствия загрязнения окружающей среды в отдаленной перспективе еще более тревожны. Некоторые ученые полагают, что концентрация промышленности, людей, сооружений может привести к воздушному и тепловому загрязнению.

Традиционно отходы потребления или твердые бытовые отходы, удаляемые как вредные и бесполезные, вывозятся на санкционированные и несанкционированные полигоны, располагающиеся вблизи населенных пунктов. На сегодняшний день захоронение остается наиболее распространенным способом в завершающем звене обращения с отходами, несмотря на то, что это противоречит экологическим, экономическим и ресурсным требованиям, так как отходы зачастую являются ценным источником сырья. Большую популярность во всем мире полигонное захоронение получило в связи с технологической простотой и незначительными капитальными вложениями в данный способ обращения с отходами.

Мировая практика управления потоками отходов потребления основывается на следующих основных методах:

- захоронение (с утилизацией биогаза или без);

- термическая обработка (в основном сжигание) с получением энергии или без;

- переработка, включающая в себя биотермическое компостирование и рециклинг отходов, так в первом случае получаются органические удобрения и биотопливо, а во втором извлекаются ценные компоненты с возможностью повторного использования.

В общем виде основные способы утилизации бытовых отходов в системе обращения с отходами потребления представлены на рис. 1.

Рис. 1. Основные способы утилизации в системе обращения с отходами потребления:

П1...Пп - поставщики отходов потребления

В последнее время в западных странах наметилась тенденция перехода от полигонного захоронения и сжигания к переработке отходов потребления в связи с высокой экологической опасностью полигонного захоронения и нехваткой мест под полигоны с отходами. В странах ЕЭС запланирован к 2015 году отказ от захоронения отходов потребления на полигонах (за счет вовлечения отходов потребления в промышленную переработку). Плотно населенные страны, такие как Швейцария, Нидерланды и Япония, из-за дефицита площадей для обустройства полигонов захоронения отходов, высокой их стоимости, а также ужесточения требований по приему органических компонентов городских отходов на полигоны ориентируются на переработку отходов потребления. В Нидерландах доля рециклинга ценных компонентов городских отходов в целом по стране достигла уже 20%. Многолетняя практика складирования отходов создала проблемы с атмосферой и грунтовыми водами.

Во Франции планы по переработке отходов потребления более напряженные: с 2008 по 2012 гг. объем захоронения отходов должен понизиться с 50 до 7%; вторичное использование - возрасти с 10 до 30%; доля мусоросжигания - с 40 до 60-65% (только для сортированных отходов).

В Португалии (относительно бедной стране Западной Европы) государственная стратегия основана на переходе от захоронения на свалках к развитию методов вторичного использования и переработки отходов. Планируется снизить долю захоронения твердых бытовых отходов до 50% в 2013 г., при этом доля мусоросжигания должна возрасти до 30%, а доля вторичного использования и переработки отходов - до 25%.

Практически во всех странах принятие новой стратегии управления отходами происходит поэтапно, иногда после детального рассмотрения накопленного мирового опыта.

Закон о размещении отходов, принятый в Германии в 1972 г., установил приоритеты будущей политики в обращении с отходами: минимизация, вторичная переработка и безопасное размещение. Основными методами переработки являются утилизация ценных компонентов и производство компоста или биогаза; сжигание отходов потребления, пиролиз отходов; захоронение. Для повышения экономической эффективности сортировка отходов может осуществляться на самом раннем этапе. Население участвует в их раздельном сборе и имеет экономию средств.

В США на долю полигонного захоронения приходится 60% всех отходов потребления, однако с каждым годом число полигонов сокращается в связи с переходом на другие способы утилизации отходов потребления. Так, в 1993 г. в США функционировало 4500 полигонов, а в 1995 г. - 3200 полигонов. Подход к программам переработки отходов в последние годы в США резко возрос и в настоящее время составляет 30%. Например, Массачусетская корпорация «Микролайф», специализирующаяся на рециклинге, переработке твердых бытовых отходов и производстве компоста, была выбрана Олимпийским комитетом как эксклюзивный переработчик отходов на олимпийских играх в Атланте. Корпорация «Микролайф» впервые создала прецедент по экологии на Олимпийских играх, добившись рекордной переработки отходов -- 82% - в истории существования перерабатывающей индустрии.

В России на долю полигонного захоронения приходится 97%, на долю мусоросжигания - 2%, переработки - 1%. Данное положение связано с отсутствием средств на строительство предприятий по переработке отходов, а также отсутствием селективного сбора отходов потребления от источников их образования. Отсутствие безопасных технологий сжигания отходов не позволяет строить мусоросжигательные предприятия. Так, по причине непредсказуемости экологических рисков для здоровья населения московские власти отказались от программы строительства 12 мусоросжигательных заводов на территории Москвы. В настоящий момент в России функционируют несколько перерабатывающих предприятий, которые перерабатывают отходы потребления в компост и продукты, подлежащие вторичной переработке.

Согласно предварительным данным инвентаризации, общая площадь занятых отходами земель в целом по Российской Федерации превышает 250 тыс. га. Более 60 тыс. га занято шламонакопителями, более 100 тыс. га - отвалами, терриконами, шлакозолоотвалами. Площадь под полигонами по обезвреживанию и захоронению отходов составляет около 6,5 тыс. га, под санкционированными свалками - около 35 тыс. га.

Полигон по захоронению отходов представляет собой природоохранное сооружение для централизованного сбора, обезвреживания отходов, обеспечивающее защиту от загрязнения атмосферы, почв, поверхностных и грунтовых вод, препятствующих распространению болезнетворных микроорганизмов.

Основными особенностями современных полигонов являются:

- уплотнение отходов, позволяющее увеличить нагрузку на единицу площади;

- меры по предотвращению проникновения сточных вод полигона в почву и подземные воды;

- сбор биогаза.

Работы на полигонах должны быть полностью механизированы, а после их закрытия необходима рекультивация участка, т.е. восстановление почв до безопасного уровня. Эффективность работы полигона во многом определяется выбором участка в соответствии с техническими требованиями и социально-экономическими аспектами. Также очень важны характер грунтов и расположение грунтовых вод при выборе участка под полигон. Грунтовые воды должны проходить на достаточной глубине (с учетом необходимости складирования на высоту не менее 10 м - из экономических соображений); выходы грунтовых и подземных вод в виде ключей и родников должны отсутствовать. Кроме того,

необходимо учитывать природные особенности выбранного места: доминирующие ветры, количество осадков, температурный диапазон, глубину промерзания грунта. Основные показатели полигона при сроке эксплуатации не менее 15 лет и площадью не менее 15 га приведены в таблице [2].

Усредненные технико-экономические показатели полигонов

Показатель Полная проектная высота складируемых отходов в уплотненном состоянии, м

10 25 50

Средняя нагрузка отходов потребления на участке складирования q, т/м2 От 3 до 5 От 10 до 15 От 17 до 20

Удельная металлоемкость машин и оборудования на 1 т принимаемых отходов потребления, кг/т 0,3-0,4 0,3-0,4 0,3-0,4

Удельные эксплуатационные затраты: труда, т/ч энергозатраты, кВт-ч/т 0,3-0,6 5 0,35-0,7 5,5 0,45-0,7 5,5

Длительность функционирования полигона может быть существенно увеличена при предварительной механической обработке отходов - измельчении или брикетировании. При более точных расчетах необходимо учитывать характеристику уплотнения отходов в зависимости от массы катков-уплотнителей или бульдозеров и высоты засыпки. Также необходимо учитывать самоуплотнение отходов с годами, особенно ощутимое при высоте полигона более 10 м. Способность к самоуплотнению отходов и принудительное уплотнение также являются большой экологической проблемой, так как этот процесс затрудняет ассимиляционные процессы.

В Саратовской области ежегодно образуется в среднем более 3 млн.м3 бытовых отходов и с учетом увеличения удельных норм накопления прогнозируется их дальнейший рост.

Сложившаяся в Саратовской области система обезвреживания отходов потребления основана на их захоронении на полигонах и свалках. По данным госстатотчетности, в 2006 г. на этих объектах размещено 3097,9 тыс. м3 бытовых отходов, что на 270 тыс. м3 больше, чем в 2005 г.

Общее количество полигонов и свалок с отходами на территории муниципальных образований области - 723, из них санкционированных - 479, в том числе: в районных центрах - 44, в округах - 435, остальные свалки являются несанкционированными. Общая площадь мест обезвреживания бытовых отходов, с учетом окружных территорий, составляет 1453 га, в том числе в районных центрах - 544 га, в округах - 909 га.

В городе Саратове ежегодно образуется почти 1,5 млн. м3 отходов потребления. Основными компонентами отходов потребления являются пищевые отходы, бумага, стекло, текстиль. В значительно меньшем количестве содержатся металл, полимерные материалы, кожа, кости и др.

Отходы потребления вывозятся специализированным автохозяйством по уборке города на полигон около поселка Гуселка-2 в Волжском районе. Среднее расстояние вывоза отходов потребления на место захоронения составляет 18 км.

В настоящее время в городе Саратове возникла сложная ситуация с

обезвреживанием отходов, так как вследствие постоянного роста количества отходов потребления ощущается острая нехватка мест под полигоны, которые, в свою очередь, являются экологически опасными объектами, требуют герметизации и постоянного

контроля. На ближайшие 20 лет необходима территория под полигон площадью 700 га, и это по самым оптимистичным прогнозам.

В связи с тем, что с каждым годом приходится увеличивать площади под полигоны, увеличивается расстояние доставки отходов к месту захоронения, что приводит к постоянному увеличению расходов на транспортировку отходов.

Сжигание же отходов производится только в тех штатах, где существует предварительная сортировка отходов у источников их образования, так как сжигание несортированных отходов приводит к сильному загрязнению окружающей среды.

Сжигание отходов относится к термическому способу обезвреживания отходов потребления. Термические методы обезвреживания твердых отходов можно разделить на две группы: термодеструкцию (пиролиз) отходов с получением твердых, жидких и газообразных продуктов и золы. В зависимости от состава и подготовки твердых отходов существует слоевое сжигание исходных (неподготовленных отходов) в мусоросжигательных котлоагрегатах, слоевое или камерное сжигание подготовленных отходов (свободных от балластных фракций) и сжигание в кипящем слое для ликвидации промышленных отходов.

При слоевом сжигании в топке мусоросжигательного котла в первой зоне (слое) происходит выход летучих продуктов, по мере увеличения температуры происходит газификация отходов и далее идет слой горящего кокса. Сжигание должно происходить при температуре 800-1000°С [3].

Сжигание исходных отходов хотя и является простым и универсальным методом утилизации, но имеет массу недостатков, главный из которых, как уже отмечалось, -большой остаток шлака, высокий уровень образования диоксинов и кислых газов, которые выделяются на стадии газификации и ведут к загрязнению атмосферы из-за высокой влажности при большой доле пищевых отходов (выше 40%). По этим причинам на практике температура в топке зачастую не превышает 550°С.

На «диоксиновой проблеме», присущей сжиганию отходов, хотелось бы остановиться более подробно.

Диоксины и диоксиноподобные вещества - это чужеродные живым организмам вещества (ксенобиотики), поступающие в живую и неживую природу с продукцией или отходами многочисленных технологий, использующих галогены и их соединения. В отличие от множества других ксенобиотиков, например, хлорорганических пестицидов, диоксины никогда не являлись целевыми продуктами, а образовывались при проведении химикотехнологических процессов в виде микропримесей. Поэтому негативное воздействие микропримесей диоксинов на живое вещество планеты на фоне действия тысяч и миллионов других техногенных выбросов многие десятилетия оставалось незамеченным. Однако именно микропримеси диоксинов, характеризующихся комплексом специфических физикохимических свойств и опасной биологической активностью, могут стать одним из источников опаснейшего долговременного заражения биосферы.

Диоксины - химически инертные вещества, кислотами и щелочами не разлагаются в процессе биологического воздействия. При обычных температурах это кристаллические вещества с температурой плавления около 300°С, плохо растворяющиеся в воде, отличающиеся высокой термической стабильностью: начало их разложения при температуре 750-800°С, полное разложение - при температурах 1000°С и более. Основной особенностью диоксинов является их способность к образованию прочных комплексов (несмотря на химическую инертность) со многими природными и синтетическими полициклическими соединениями, после чего эти соединения приобретают свойства ксенобиотиков [1].

Природные пути образования диоксинов не обнаружены, так как они являются результатом научно-технического прогресса. По характеру воздействия на человека диоксиновое отравление названо учеными экологическим СПИДом.

Следует учитывать и тот факт, что диоксины признаны мировым сообществом наиболее опасными веществами - супертоксикантами, принадлежащими к классу стойких органических загрязнителей. Борьба с ними объявлена специальным документом -Стокгольмской конвенцией, открытой для подписания 23 мая 2001 г. С мая 2002 г. Россия также вошла в список более 150 стран, подписавших обязательства по борьбе со стойкими органическими загрязнителями, основными из которых являются диоксины. Следует отметить, что документ готовился специальным межправительственным комитетом, в составе которого есть и Россия.

Основными факторами токсичности диоксинов являются:

- кумулятивные (способные накапливаться) свойства диоксинов приводят к постепенному отравлению организма, причем каждая следующая доза токсичнее предыдущей;

- диоксины разрушают механизмы защиты генов от воздействия окружающей среды и, не поражая генетически материал клеток непосредственно, тем не менее способствуют его разрушению. Возрастает чувствительность организмов к стрессам, внешним воздействиям и т.п.;

- воздействуя на белковый обмен, диоксины способствуют биоактивации мутагенов и разрушению витаминов, лекарств, низкомолекулярных гормонов;

- для диоксинов характерен длительный период скрытого действия, причем первым проявлением являются поражения сальных желез, которые сопровождаются дерматитами, усилением аллергических реакций и др.

Диоксины являются канцерогенами (способны вызывать раковые заболевания) и тератогенами (поражают генофонд).

Диоксин быстро поглощается растениями, сорбируется почвой и различными материалами, практически не изменяясь под влиянием биологических и физико-химических факторов среды. Период полураспада диоксина в природе не менее 10 лет. Почвы с содержанием диоксинов около 10 частей на триллион непригодны для кормопроизводства. Из почвы комплексы диоксина с органическими соединениями выдуваются ветром и вымываются дождевыми потоками. В водоемах они накапливаются в донных отложениях и переходят в водную фазу по мере образования водорастворимых органических комплексов.

Проводимые различными учеными исследования показали, что большое количество диоксинов выделяют свалки и мусоросжигательные предприятия. Однако предприятия по сжиганию отходов являются основными поставщиками диоксинов в окружающую среду, особенно когда несортированные отходы (пластик, резина, линолеум, изоляционная лента, лакокрасочные составы и прочее) подаются в камеру сгорания с влажными пищевыми отходами. Проведенные расчеты показали, что при производственной мощности мусоросжигательного предприятия 15 т/ч для таких условий при содержании хлорсодержащих материалов в 5% можно ожидать на выходе до 75 мкг/ч летучих диоксинов. Сравнительно небольшой мусоросжигательный завод, мощностью 130 тыс. т отходов потребления (в частности, для удаления отходов потребления в г. Саратове необходимо предприятие мощностью минимум 320 тыс. т) будет выбрасывать в воздух чуть менее 1 г диоксинов в год. Этого хватит, чтобы довести до ПДК около 2000 км3 воздуха (для сравнения: приземный слой атмосферы г. Ростова-на-Дону высотой до 100 м при площади города около 350 км2 составляет всего лишь 35 км3).

Большое количество диоксинов выделяется мусоросжигательными предприятиями со сточными водами. Количество этих вод зависит от совершенства технологии сжигания на искомых предприятиях. Для современных предприятий по сжиганию отходов потребления расход воды составляет от 2 до 3 м3 на 1 т отходов и слагается из воды, охлаждающей шлак, растворов, применяемых в скрубберах, и смесей, образующихся при смыве осадков с фильтров [4].

В этой связи, конечно, более предпочтительной является переработка отходов потребления, чем их бесконтрольное складирование или сжигание.

Высокий процент переработки отходов в развитых зарубежных странах объясняется эффективностью возврата отходов потребления в хозяйственный оборот и сокращением выводимых из оборота земель.

Как отмечалось выше, наиболее приемлемым способом утилизации отходов потребления в нашей стране является переработка отходов, так как большое количество пищевых отходов в составе отходов потребления препятствует их качественному и безопасному сжиганию и усложняет процесс их захоронения на полигонах.

Основным процессом на предприятиях по переработке отходов потребительской деятельности является компостирование органических отходов, в основном пищевых. Компостирование - биохимический процесс, предназначенный для преобразования органических твердых отходов в стабильный, подобный гумусу продукт, используемый для улучшения состава почвы. Компост - удобрение, получаемое в результате микробного разложения органических веществ. Технологию образования компоста можно классифицировать по трем основным признакам: использованию кислорода, температуре и способу ведения процесса.

По использованию кислорода различают компостирование аэробное или анаэробное (с подачей кислорода или без). Аэробное - более быстрое и ему в большинстве случаев отдают предпочтение. Оно протекает при более высоких температурах - порядка 45-65°С (термофильное компостирование) в отличие от низкотемпературного (мезофильного) компостирования - при 20-35°С. По способу получения компоста различают процесс в штабелях, на открытом воздухе и в механических устройствах - биотермических барабанах.

Как правило, перерабатывающие отходы предприятия на выходе имеют не только компост. Здесь также есть различные виды пластиков, металлы, бумага, рециклируемые материалы, на базе производства компоста возможно получение биогумуса и других питательных для почвы компонентов. Работа перерабатывающего предприятия в системе обращения с отходами потребления представлена на рис. 2. На схеме показано американское предприятие по переработке отходов потребления «МИКРОЛАЙФ», представляющее собой классическую схему работы перерабатывающего предприятия. Данное предприятие осуществляет переработку муниципальных отходов с глубиной переработки до 80% и возврат продуктов рециклинга в промышленное воспроизводство и восстановление природных ландшафтов. Для более наглядного представления работы предприятия на рис. 3 представлена технологическая схема процесса работы предприятия по переработке отходов потребления.

Рис. 2. Схема функционирования предприятия в системе обращения с отходами потребления: П1....Пп - региональные поставщики отходов потребления

V

Спец.

сортировка

Отвергнуты е отходы

Подающий

транспортер

Подающий

транспортер

Накопление

Накопление

Сортировка - -> AL+ОП

> і 1

Магнитная сепарация -> Упаковка Fe

V

Дробление ОП Упаковка AL

AL+ОП

Компоне

нты

компост.

Смешивание

компонентов

Загрузочный

контейнер

Компостирование

Контроль

компостирования

Подающий

контейнер

Просеивание

Захороне

ние

Сушка

Тонкое

просеивание

Подготовка

продукции

Сортировка AL

Магнитная

сепарация

Упаковка Fe

Докомпости

рование

Хранение

Сортировка

Магнитная

сепарация

Дробление ОП

Накопитель

Брикетирование

Складирование

рециклинга

Рис. 3. Технологическая схема работы предприятия по переработке отходов

Как показано на схеме, вначале отходы доставляются на загрузочную площадку. Следует отметить, что на данном предприятии предусмотрено несколько загрузочных площадок с целью предотвращения перебоев в работе, а также в связи со спецификой поступивших отходов. Поступившие отходы с помощью погрузчика сгружаются в специально оборудованный приемный бункер. Под приемным бункером расположен транспортер отходов, посредством которого отходы попадают на накопительную площадку, где происходит их сосредоточение в необходимом количестве для начала процесса сортировки. Предварительно отходы потребления проходят контроль для предотвращения попадания в сортировочную систему опасных отходов (аккумуляторы, люминесцентные лампы и т. д.). С помощью устройства для загрузки отходы потребления попадают в сортировочную систему, осуществляющую процесс сортировки на предварительной стадии. Отходы потребления сортируются с целью выделения из них компонентов рециклинга (черные металлы, бумага, картон, пластмасса, алюминий), компонентов, необходимых для приготовления компоста (пищевые отходы, стекло, керамика, дерево, бумага), а также удаления отходов, непригодных для переработки и вторичного использования (смешанные металлы, пластиковые пленки, смешанные пластмассы, резина, текстиль и т.д.).После прохождения процесса предварительной сортировки отходы потребления с помощью транспортера перемещаются в специальный бункер, а затем попадают на линию внесения компонентов. Для прохождения процесса компостирования в определенном соотношении направляются следующие виды отходов: газетная бумага, пищевые отходы, отходы лесного хозяйства, стекло, керамика и дерево.

Для ускорения процесса созревания компоста вышеуказанные компоненты смешиваются с специальными добавками, которые загружаются на транспортер с помощью погрузчика, а затем попадают в смеситель, в котором уже находятся компоненты, прошедшие предварительную сортировку. Смешанные фракции со специальными добавками находятся в смесителе до полного созревания компоста. Этот процесс продолжается на

протяжении шести месяцев. В течение этого времени осуществляется полный контроль за созреванием компоста. По окончании процесса предварительного созревания компоста он из смесителя выгружается в автомобили. Автомобильным транспортом компост перевозится на линию окончательной подготовки компоста, расположенную в цехе подготовки компоста.

На линии окончательной подготовки компоста процесс компостирования входит в завершающую стадию. Выгруженный в приемный бункер компост с помощью подающего контейнера направляется на просеивание, которое осуществляется на сложном оборудовании предварительного просеивания. После предварительного просеивания компост проходит процесс сушки в специально оборудованной сушилке с целью предотвращения гниения готового компоста. После прохождения процесса сушки компост направляется на тонкое окончательное просеивание, после чего недостаточно созревшие и инородные фракции попадают обратно на предварительное просеивание и в случае, если эти фракции окажутся непригодными для повторного процесса, они отбрасываются к отвергнутым отходам, после чего брикетируются и направляются на полигон по захоронению отходов в спрессованном виде. Компост, прошедший стадию тонкой очистки, признается пригодным для использования, после чего проходит специальную подготовку, направляется на склад готовой продукции и впоследствии реализуется для нужд сельского и городского хозяйства [5].

Таким образом, в результате рассмотренных выше трех основных направлений утилизации отходов потребления, можно сделать вывод, что наиболее приоритетным является переработка. Во-первых, это самый экологически безопасный способ, а во-вторых, в результате переработки возможно возвращение ценных компонентов

отходов, которые были бы безвозвратно потеряны в результате полигонного захоронения или сжигания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Санитарная очистка и уборка населенных мест: справочник / под ред.

А.Н. Мирного. М.: Стройиздат, 1990. 157 с.

2. Гарин В.М. Обращение с опасными отходами / В.М. Гарин, Г.Н. Соколова. М.: Проспект, 2007. 224 с.

3. Концепция обращения с ТБО в РФ / Н.Ф. Абрамов, А.Н. Мирный, Б.М. Спасский и др. // Чистый город. 2003. № 2. С. 36-48.

4. Беньямовский Д.Н. Сжигание и пиролиз твердых бытовых отходов /

Д.Н. Беньямовский // Жилищное коммунальное хозяйство. 1993. № 6. С. 26-28.

5. Совершенствование системы управления в сфере обращения с отходами потребления / К.П. Колотырин, И.Б. Николаева, А.И. Попов, Л.О. Сердюкова. Саратов: СГТУ, 2003. 132 с.

Колотырин Константин Павлович -

кандидат экономических наук, доцент кафедры «Менеджмент, коммерция и право» Саратовского государственного технического университета Статья поступила в редакцию 08.04.08, принята к опубликованию 22.05.08