Основные способы утилизации и обезвреживания твердых отходов и перспективы использования геотехнологических методов

экология

УДК 628.54-027.33:550

Н.И. Абрамкин, д-р техн. наук, проф. (Россия, Москва, МГГУ), Р.А.Захарова, аспирант (Россия, Москва, МГГУ),

P.A. Степанов, аспирант

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ УТИЛИЗАЦИИ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Рассмотрены основные способы утилизации и обезвреживания твердых отходов и дальнейшее использование геотехнологических методов.

Ключевые слова: утилизация, отходы потребления, сжигание, пиролиз.

Одной из важнейших экологических проблем городов, в которых в СНГ проживает около 70 % населения, является проблема утилизации всех видов муниципальных и промышленных отходов. Отходы представляют эпидемическую опасность, нарушают эстетический облик городов и прилегающих территорий. В то же время в отходах содержаться и ценные компоненты, которые могут использоваться в качестве вторичного сырья. Городские отходы разнообразны по своему составу. Источником образования отходов являются жилые, общественные, административные и другие учреждения, промышленные предприятия, территории общего пользования. Классификация городских отходов приведена в табл. 1 .

Основную массу твердых отходов составляют бытовые отходы, морфологический состав которые представлены в табл. 2. На технологию сбора и удаления отходов влияет фракционный состав твердых бытовых отходов (ТБО), под которым понимают содержание частей разного размера, выраженное в % к общей массе. До 70 % массы отходов имеют размер менее 100 мм. Средняя плотность ТБО зависит в основном от степени благоустройства домовладений и в различных городах составляет

0,19...0,23 т/м3. Влажность ТБО зависит от соотношения содержащихся в них основных компонентов бумаги и пищевых отходов и их исходной

влажности, а также от условий кратковременного хранения на местах сбора.

Влажность бытовых отходов колеблется в пределах 30...58 %, достигая максимума осенью. Идеальная теплоемкость ТБО непосредственно связана, а их влажностью. Основные компоненты ТБО имеют удельную теплоемкость в пределах от 2000 до 2500 Дж/(кг 0С).

Таблица 1

Классификация городских твердых отходов_____________

По месту образования По натуральному составу

Бытовые отходы жилых зданий Пищевые отходы, смет, стекло, кожа, резина, бумага, металл, тряпье, пластмасса, зола, шлак, дерево, отходы текущего и капитального ремонта.

Бытовые отходы учреждений административного и административнообщественного назначения Бумага, стекло, текстиль, дерево, смет, люминесцентные лампы и др.

Отходы предприятий общественного питания, рынков Пищевые отходы, кости, бумага, стекло, смет, древесина и др.

Отходы территорий общественного пользования Уличный смет, брошенные предметы, бумага, стекло, древесина, опавшие листья и др.

Отходы лечебных и санитарноэпидемиологических учреждений Текстиль, бумага, стекло, пластмасса и др.

Промышленные отходы Металл, пластмасса, растительные масла, древесина и др.

ТБО обладают рядом специфических свойств. Сюда следует отнести их слеживаемость, т.е. способность уплотняться и выделять фильтрат без дополнительного внешнего воздействия только при длительной неподвижности. Продолжительный контакт ТБО с металлами вызывает их коррозию, обусловленную высокой влажностью ТБО и присутствием в фильтрате растворов различных солей.

Ресурсы ТБО практически неисчерпаемы. Годовое количество ТБО на одного жителя составляет: в США - 520-690 кг; Канаде - 380 кг; Германии - 350-400 кг; Японии - 350-400 кг; Франции - 290-360 кг; Великобритании - 250-360 кг. В среднем годовое количество бытового мусора,

приходящееся на одного европейского жителя в городах, принято 400, а в сельской местности - 170 кг . Средние дифференцированные годовые нормы накопления ТБО на 1 человека в бывшем СССР составляли 160 - 195 кг в зависимости от количества населения в городе.

Морфологический состав ТБО

Таблица 2

Компоненты Зоны

Средняя Южная Северная

Бумага, картон 30-38 20-30 21-24

Пищевые отходы 30-39 35-40 30-38

Дерево 1-2,5 1-2 2-4

Металл 2-3 1-3 3-5

Текстиль 3,5-4,5 5-7 5-7

Кости 0,5-2 1-2 2-4

Кожа, резина 1-5 1-3 3-7

Камни 1-3 1-2 1-2

Пластмасса 1,5-2 1,5-2 1,5-2

Прочее 0,5-1 1-2 2-2

Отсев (менее 15 мм) 7-14 10-18 7-10

Промышленные отходы (ПО) можно разделить: на отходы производства и отходы потребления. Отходами производства следует считать остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образовавшиеся при изготовлении продукции, полностью или частично утратившие свои потребительские свойства, а также продукты физико-химической или механической переработки сырья, получение которых не являлось целью производственного процесса. В процессе производства образуются сточные воды и их осадки, дымовые газы и т.п.

Отходами промышленного потребления считаются различного рода изделия, комплектующие детали и материалы, которые по тем или иным причинам непригодны для дальнейшего использования (металлолом, вышедшее из строя оборудование, изделия технического назначения из резины, пластмасс, стекла и т.п.). Классификация ПО основана на систематизации их по отраслям промышленности, возможностям переработки, агрегатному состоянию, токсичности и т.д. Каждая отрасль промышленности имеет классификацию собственных отходов.

Согласно ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности» все ПО делятся на четыре класса опасности: первый - чрезвычайно опасные, второй - высоко опасные, третий -умеренно опасные и четвертый - мало опасные. В настоящее время как в СНГ так и за рубежом нет единой классификации отходов крупного промышленного города или региона, в которой с максимальной полнотой рассматривались бы количественный и качественный состав отходов, применяемые и предполагаемые методы обработки, санитарно-гигиенические и градостроительные аспекты.

Определенный интерес представляет классификация ПО, предложенная Институтом генплана Москвы. По этой классификации ПО столицы по формам и видам делятся на 12 групп :

I - гальваношлаки и осадки, отходы реагентов и химреактивов, содержащие Сг, N1, Си, Со, 7п, РЬ, кислые и щелочные отходы химических производств, вещества неорганического характера;

II - осадки сточных вод, включающие в себя канализационные, водопроводные и нефтесодержащие промышленные осадки, образующиеся на локальных и очистных сооружениях производственных зон;

III - нефтеотходы и нефтешламы, легковоспламеняющиеся жидкости, смазочные охлаждающие жидкости, кубовые остатки, отходы лакокрасочной промышленности;

IV - отходы пластмасс, полимеров, синтетических волокон, нетканых материалов и композиций на их основе;

V - отходы резинотехнических изделий, вулканизаторов и т.д.;

VI - древесные отходы;

VII - отходы бумаги;

VIII - отходы черных и цветных металлов, легированных сплавов, шлаки, зола, пыль (кроме металлической);

X - отходы пищевой, мясо-молочной и других отраслей промышленности;

XI - отходы легкой промышленности;

XII - отходы стройиндустрии.

По данным «Экотехпрома», в Москве за 1992 год образовалось 5,6 млн т отходов, из них ТБО - 2,5 млн т, ПО - 3,1 млн т. Рост ПО будет увеличиваться пропорционально развитию производства. Конечным этапом обезвреживания большинства неутилизируемых городских ПО, исключая особо токсичные, а также инертный строительный мусор и т.п., в настоящее время является сжигание, что подтверждается опытом Дании, Финляндии, Германии, Швеции и др. стран. Ликвидация и обезвреживание отходов являются сложной санитарной, технической и экологической проблемой. По способу использования отходов методы их обезвреживания подразделяют на утилизационные и ликвидационные технологии. Утилизационные методы позволяют решить задачи экономии топливно-

энергетических ресурсов, ликвидационные направлены в основном на удовлетворение санитарно-гигиенических требований.

Классификация методов обезвреживания по технологическому принципу позволяет выделить биотермические, механические, комбинированные, термические и химические способы. Чаще всего в городах применяются ликвидационные способы: механический путем обезвреживания отходов на полигонах и термический, при котором отходы сжигаются. Распространен также утилизационный биологический способ, предусматривающий компостирование отходов. 75.80 % всех твердых отходов складируется на свалках и полигонах. Складирование отходов в виде насыпных холмов или в карьерах и оврагах приводит к загрязнению грунтовых вод фильтратом, а окружающей территории - легкими фракциями отходов.

Усовершенствованные свалки (полигоны) должны обеспечивать полную санитарно-эпидемиологическую безопасность населения, защиту от загрязнений почвы, подземных вод и атмосферы. Раньше считалось, что на свалках и полигонах разложение отходов происходит в почве. Однако, в почве разлагаются только органические вещества, в то время как в составе отходов все большую долю занимают стекло, пластмассы и др. компоненты. Поступление отходов в землю превышает допустимые пределы: на современных свалках: на слой отходов в 1,5...2,0 м приходится слой почвы 20.25 см, который иногда заменяется другими изолирующими материалами. В связи с этим следует говорить не об обезвреживании отходов в почве, а о складировании на почве с расчетом на последующую минерализацию.

На полигонах и свалках происходит длительный процесс разложения отходов. В верхнем слое он заканчивается на глубине до 3 м через 15 - 20 лет, в более глубоких слоях - через 50 - 100 лет. Разложение отходов сопровождается выделением газов, фильтрата и небольшого количества тепла. Температура складируемой массы при влажности 40.50 % не превышает 30.40 °С. Выделение метана, водорода, сероводорода и др. газов происходит в течение 5.10 лет и более с момента закладки полигона. Усадка отходов на 30.50 % и выделение ядовитых и взрывоопасных газов не позволяет вести на территориях бывших свалок и полигонов капитальное строительство. Даже под высотные полигоны требуются весьма значительные площади, что вызывает уже сейчас большие затруднения с отводом территорий под новые полигоны.

Отходы складируют на водонепроницаемое основание послойно с высотой рабочего слоя 2 м. Складируют отходы бульдозерами методами надвига или сталкивания. Складируемые отходы систематически разравнивают слоями толщиной до 0,5 м и уплотняют двух-, четырехкратными проходами бульдозера или катка-уплотнителя. На каждый уплотненный слой бульдозером (катком) надвигается следующий слой и вновь уплотня-

ется. Операции продолжаются до достижения общей высоты рабочего слоя

2 м. Каждый рабочий слой отходов покрывают промежуточным изолирующим слоем высотой 0,25 м. В качестве изолирующего материала используются супесчаные и суглинистые грунты, строительный мусор, зола, шлаки, нетоксичные ПО и др. Капитальные затраты (без дороги) на 1 га полигона при естественном основании (на ценах 1991 г.) - 20.30 тыс. руб., при искусственном - 40.70 тыс. руб.; удельные затраты на 1 т складируемых отходов за весь период эксплуатации - 0,05.0,15 руб. Стоимость складирования отходов на полигонах с учетом мойки контейнеров и мусоровозов не должна превышать 0,1.. .0,2 руб./т.

Основой биотермических утилизационных методов переработки ТБО являются биологические процессы разложения содержащихся в отходах органических веществ, происходящие в аэробных условиях в результате деятельности микроорганизмов при 1 = 40.70 °С с выделением теплоты в среднем 1300 кДж/кг отходов. В результате биотермической переработки получается компост, используемый в качестве органического удобрения и биотоплива. Биотермические методы подразделяют на полевое компостирование на открытых площадках без предварительной подготовки и с подготовкой, переработку в специальных установках без предварительной подготовки отходов (биотермические камеры, теплицы, парники) и промышленное биотермическое обезвреживание и переработку отходов.

Для сокращения количества бытовых отходов, подлежащих обезвреживанию и извлечению из них вторсырья, применяют механизированную сортировку ТБО на специальных мусоросортировочных заводах. Как правило, из ТБО извлекают черные и цветные металлы, стекло, бумагу, пластмассы, органические вещества, используемые в дальнейшем в производстве ряде ценных продуктов. Определенная технология сортировки и обработки ТБО обеспечивает получение из отходов высококачественного топлива в виде грунта и брикетов.

Методы сортировки отходов и восстановления из них материальных ресурсов разделяют по способу предварительной подготовки отходов (с дроблением и без него) и по характеру разделения(механическая, воздушная, гидравлическая, магнитная сепарация). Наиболее распространены магнитная и воздушная сепарации. В качестве примера можно привести установку фирмы «Флэкт» (Швеция) с предварительной подготовкой сырья и воздушной многоступенчатой сепарацией, позволяющую выделить до 60 % вторичных материалов без учета цветных металлов и стекла.

Основными термическими методами обезвреживания ТБО являются их сжигание и пиролиз. Достоинства термических методов:

полное обеззараживание отходов в кратчайшие сроки; возможность использования образующейся при сжигании отходов теплоты для производства тепла или электроэнергии;

получение жидкого топлива и горючих газов (при пиролизе);

минимальные размеры земельного отвода по сравнению со всеми остальными методами обезвреживания отходов;

возможность сооружения установок в черте города.

Условия целесообразности применения мусоросжигательных установок (заводов):

содержание в ТБО менее 30 % органического вещества и высокая теплота их сгорания;

отсутствие гарантированных потребителей компоста и биотоплива; повышенные санитарные требования к обезвреживанию отходов курортов, больниц и т.п.;

необходимость ликвидации некомпостируемых остатков. Мусоросжигательные установки (МСУ) по производительности (в кг сжигаемых отходов в час) делятся на четыре группы: 1 - до 30 (самые малые); 2 - 30-500 (малые); 3 - 800-3000 (средние); 4 - свыше 3000 (крупные). Установки 1-й и 2-й групп без утилизации теплоты рекомендуются для уничтожения специфических отходов медучреждений, трупов животных. Установки 3-й группы чаще всего применяют в городах или районах с населением более 200 тыс. чел. Данные табл. 3 свидетельствуют о большом отставании России и других стран СНГ во внедрении наиболее прогрессивного способа обезвреживания ТБО.

Таблица 3

Данные о соотношенииразличныхметодов обезвреживания ________ ТБО в наиболее развитых странах______________

Метод СНГ Дания ФРГ Франция Япония Швеция Швейца- рия

Захоронение на полигонах и свалках 95 17 60 40 25 35 0

Сжига- ние 4 80 34 42 72 55 100

Компо- стирова- ние 1 3 0 9 0 10 0

Другие методы 0 0 6 9 3 0 0

В последнее время получает распространение новый метод термической переработки отходов - пиролиз. Сущность метода заключается в том, что в результате нагрева в бескислородной или бедной кислородом среде происходит химическое разложение содержащегося в ТБО органиче-

ского вещества с образованием пара, жидкой фракции(слоя масел) и газа с выделением твердого остатка(углерода). При пиролизе происходят сушка, сухая перегонка(собственного пиролиза), газификация и горение коксового остатка, взаимодействие образовавшихся газообразных продуктов.

Выбор метода обезвреживания ТБО зависит от местных условий и определяется технико-экономическими показателями при обязательном учете санитарно-эпидемиологической обстановки, климатических условий, численности населения города, возможности отвода земельного участка. Что касается ПО, то до середины 70-х годов в СССР ввиду отсутствия эффективных средств обработки и утилизации большого числа ПО были широко распространены методы их складирования на городских свалках вместе с ТБО или на примитивных специализированных свалках ПО. В настоящее время такой метод складирования ПО запрещен. При определении допустимых методов складирования и обезвреживания ПО решающее значение имеет их состав.

При складировании ПО совместно с ТБО на полигонах предельное количество токсичных ПО нормируется. Основное условие приема ПО на полигоны ТБО - соблюдение санитарно-гигиенических требований по охране атмосферного воздуха, почвы, грунтовых и поверхностных вод.

Список литературы

1. Яношевская Д.А., Мельников Ю.Ф., Корсаков И.Н. Санитарная техникагородов. М.: Стройиздат. 1990. 321 с.

2. Совершенствование сбора, удаления, обезвреживания и утилизации твердых бытовых отходов. Киев: УкрНИИНТИ. 1990.

3. ГОСТ 12.1.007.76. «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности».

N. Abramkin, R. Zacharova, R Stepanov

Utilization and sterilization basic methods of solid wastes and perspectives of using geotechnological methods

Environmental problems stipulated by growth rates of solid domestic wastes flow worsen alongside with energetic problems. These problems have to be solved with using geotechnological approaches

Key words: utilization, domestic wastes, incineration, pyrolysis.

Получено 22.09.10