Современные подходы к вопросам утилизации твердых бытовых и промышленных отходов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные подходы к вопросам утилизации твердых бытовых и промышленных отходов

Жизнедеятельность всего человечества в целом неизбежно связана с образованием твердых бытовых отходов (ТБО). ТБО - это огромные массы влажного (до 50 %) дурнопахнущего городского мусора, который необходимо упорядоченно собирать и вывозить за пределы населенных пунктов на специальные свалки и полигоны.

Уровень накопления ТБО - 0,3-0,5 т/чел. в год. Плотность твердых бытовых отходов обычно составляет 0,2-0,3 т/м². Например, в промышленных городах центральной части России количество отходов на душу населения - 270 кг в год, а в развитых европейских странах, таких как Германия, Италия и Великобритания, - 450, в Австрии и Финляндии - свыше 630 кг в год. Доля населения в образовании ТБО составляет 72 %, туристов - 8 %, а 20 % приходится на коммерческий сектор и легкую промышленность.

Ежегодно на предприятиях Российской Федерации образуется около 93 млн тонн токсичных промышленных отходов (ПО), из которых 90 млн тонн относятся к III и IV классам опасности. Количество отходов потребления ежегодно возрастает в России на 30 млн тонн.

Последние годы нефтешламы - отходы II класса опасности - не принимаются на захоронение из-за переполнения полигонов. Нефтеперерабатывающие заводы, нефтебазы, локомотивные и вагонные депо железнодорожной отрасли вынуждены накапливать нефтешламы в специальных бетонированных хранилищах. Строительство новых хранилищ и накопление нефтешлама в старых носило стихийный характер, поэтому оценить накопленное количество таких отходов не представляется возможным, их масса может достигать и десятков, и сотен миллионов тонн.

Существуют два пути решения проблемы твердых бытовых и промышленных отходов: переработка, утилизация. Эти термины являются практически синонимами, однако предполагают достижение различных результатов.

При переработке и утилизации используется множество методов - химические, биологические, физико-химические и термические [1].

По-прежнему активно используется такой метод утилизации, как захоронение. Но при этом скопления ТБО негативно влияют на окружающую среду через воду и воздух. При гниении выделяются вредные вещества, а подземные воды выходят на поверхность и отравляют питьевую воду.

Химические методы обезвреживания жидких и твердых нефтесодержащих отходов заключаются в добавлении к нейтрализуемой массе химических реагентов. В зависимости от типа химической реакции реагента с загрязнением происходит осаждение, окисление-восстановление, замещение, комплексообразование. Недостатком данных методов является неустойчивость некоторых реагентов к атмосферной и грунтовой влаге, к быстрым изменениям температуры.

Биологические методы обезвреживания ПО и ТБО находят все более широкое применение в России и особенно за рубежом. Они основаны на способности различных штаммов микроорганизмов в процессе жизнедеятельности разлагать или усваивать в своей биомассе многие органические загрязнители. Но в процессе биообезвреживания происходит вторичное загрязнение атмосферного воздуха продуктами гниения клеток микроорганизмов - сероводородом и аммиаком.

Биологическая очистка чаще всего используется для нейтрализации органических токсикантов и тяжелых металлов, а также азотных и фосфорных соединений в почвах и грунтах. Биологические методы можно условно подразделить на следующие: микробиодеградация загрязнителей, биопоглощение и перераспределение токсикантов.

Физико-химические методы образуют наиболее представительную группу методов обезвреживания ПО и ТБО. При создании физических полей в пористых средах начинает протекать одновременно множество физико-химических процессов.

При наложении поля напряжений загрязненная масса интенсивно перемешивается и происходит очистка ее частиц от поверхностных загрязнений.

Гидродинамическое воздействие на обезвреживаемую массу сопровождается суффозией, выщелачиванием, адсорбцией, диффузией и выносом загрязнений из порового пространства грунтов.

Перспективен метод сверхкритической экстракции углекислым газом органических загрязнений.

Постоянное электрическое поле, приложенное к водонасыщенной среде, вызывает протекание электрохимических и электрокинетических процессов. К электрохимическим относятся электролиз, электрофлотация, электрокоагуляция, электродеструкция, электрохимическое обеззараживание, ионный обмен, электрохимическое окисление и выщелачивание, электродиализ, а к электрокинетическим - электроосмос, электрофорез и электромиграция.

Электролиз порового раствора загрязненных сред - это окислительно-восстановительный процесс, в результате протекания которого происходит разложение химических соединений. Он используется для очистки массы от микроорганизмов и называется электрохимическим обеззараживанием. Эффективность метода составляет до 99 %.

При электрофлотации удаление нефтепродуктов происходит пузырьками газа, образующимися при электролизе и поднимающимися к поверхности.

Электрокоагуляция - это процесс агрегации микрочастиц минерального происхождения и органических молекул. В методе электрокоагуляции используют железные и алюминиевые электроды, при растворении которых образуются гидроксиды, адсорбирующие загрязнения и выпадающие затем в осадок.

Электрохимическое окисление применяется для очистки масс от хлорированных углеводородов и фенола. Эффективность окисления фенола - 70-92 %.

Электрохимическое выщелачивание - это метод очистки, основанный на выщелачивании загрязнений или переводе тяжелых металлов в подвижную форму. Однако метод требует внесения дополнительных химических реагентов.

Электродеструкция осуществляется при электрохимическом разложении токсичных органических соединений на электродах с образованием нетоксичных веществ. Преимущество метода - в низкой стоимости и высокой эффективности.

При электродиализе порового раствора массы происходит очистка от загрязнений в коллоидной форме, обессоливание в средней части межэлектродного пространства.

Электрокинетические методы начали широко применяться с 60-х годов XX в. Электрокинетические явления, наблюдающиеся в пористых средах при протекании постоянного электрического тока, подразделяются на электроосмос и электрофорез.

При электроосмосе ионы, содержащиеся в жидкости, перемещаются относительно неподвижной заряженной поверхности минеральных частиц, увлекая при этом загрязнения в растворенном или жидком состоянии. При протекании электрофореза в поровом пространстве, заполненном полностью или частично водой, перемещаются минеральные частицы. Это явление играет крайне незначительную роль в электрокинетическом переносе загрязнений в диссоциированной форме, но определяющую в переносе коллоидных и заряженных минеральных частиц. Электрофоретическое перемещение коллоидных частиц и микрочастиц наблюдается в макропористых средах.

Под действием напряжения, приложенного к электродам, которые погружены в скважины, вода и экотоксиканты в коллоидном состоянии перемещаются к электродным резервуарам, из которых затем вода с загрязнениями извлекается на поверхность и очищается одним из физико-химических методов. Эффективность очистки может достигать 99 %.

Отдельную группу составляют электромагнитные методы, основанные на термическом эффекте при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.

В сверхвысокочастотных полях происходит быстрый и равномерный прогрев, при этом протекают дегидратация, диссоциация карбонатов, окисление и даже плавление. Десорбирующиеся органические соединения обезвреживаются, например, каталитическим методом.

Обезвреживание ПО и ТБО с помощью ультрафиолетового (УФ) и лазерного излучения относится также к электромагнитным методам. Активация ароматических молекул данными видами излучений приводит к диссоциации молекул с образованием радикалов и активных комплексов, к быстрому окислению и полимеризации.

Для очистки масс от нефтепродуктов эффективен ультразвук. Начиная с критического значения звукового давления акустических волн в жидкости возникает кавитация. При схлопывании кавитационных полостей образующиеся микроструи с линейными скоростями 300-800 м/с срывают с поверхности твердых частиц нефтяные загрязнения. Эффективность очистки может достигать 99,5-99,8 %. При кавитационных разрывах жидкости происходит ионизация и активация молекул, что стимулирует окисление и полимеризацию углеводородных молекул.

К термическим методам обезвреживания отходов относятся газификация, сжигание и пиролиз.

Газификация ТБО происходит при температурах 600-1100 °С в атмосфере газифицирующего агента. В результате реакции образуются синтез-газ и туман из жидких смолистых веществ, бензпирена и диоксинов. Зола может содержать остаточный углерод и соли тяжелых металлов, растворимые в воде.

Сжигание отходов - самый примитивный способ утилизации. В результате сгорания органической части образуются диоксид углерода, пары воды, оксиды азота и серы, аэрозоль, оксид углерода, бензпирен и диоксины.

Пиролиз - процесс термического разложения углеродсодержащих компонентов и органических соединений, составляющих до 85 % всей массы ТБО, под действием высоких температур при отсутствии или недостатке кислорода.

Пиролиз нефтесодержащих отходов проводят при температуре 600-800 °С с вакуумированием реактора. При этом протекают реакции коксо- и смолообразования, разложения высокомолекулярных соединений на низкомолекулярные, жидкую и газообразную фракции, а если углеводородные отходы содержат серу, то образуются также сероводород и меркаптаны. Оксиды азота и серы практически не образуются.

Данный процесс - надежное средство, чтобы остановить рост свалок ПО и ТБО, не загрязняя атмосферу. Основное преимущество пиролиза в том, что при его протекании хлоросодержащие полимеры разлагаются, и ответственный за образование диоксинов хлористый водород связывается в термостойкие минеральные соли. Образующийся же пирогаз направляется на дальнейшую переработку в жидкое топливо или сжигается в энергоустановках (при сжигании пирогаза диоксиновый дым не образуется).

На основании проведенного анализа проблемы промышленной утилизации ТБО можно сделать вывод, что рассмотренные способы не являются универсальными и решают лишь проблему ликвидации отходов. При этом последние рассматриваются как бесполезное вещество, загрязняющее окружающую среду. В лучшем случае отходы используются как сырье для получения энергии (методы сжигания) либо топлива (методы пиролиза) или для компостирования.

Все рассмотренные подходы являются базой для уже созданных технологий обезвреживания ПО и ТБО или технологий, разрабатываемых в настоящее время. Каждый метод обезвреживания отходов и технология на его основе имеют определенную нишу, то есть совокупность физико-химических параметров отходов и возможностей метода, оптимальное сочетание которых позволяет достичь наибольшей прибыли или минимальных затрат на обезвреживание определенного вида отходов при наименьшем экологическом ущербе природе.

В связи с вышеперечисленым возникла потребность в поиске оптимального, энергоэкономного и экологически безопасного решения утилизации отходов.

Учитывая возрастающую нагрузку на биосферу, ограниченность природных ресурсов и невосполнимость природного нефтяного сырья, отходы необходимо рассматривать как комплексное вторичное органо -минеральное сырье, которое следует вовлекать в промышленный и хозяйственный оборот. Использование таких ресурсов с максимальной эффективностью создаст возможность вместо гор мусора получить новую отрасль промышленности - коммерческую переработку отходов.

Перспективным методом переработки ТБО и ПО может оказаться пиролиз [2].

Основной мировой тенденцией решения проблемы глубокой промышленной переработки вторичных органо- минеральных ресурсов, содержащихся в твердых бытовых отходах, является создание термических низкотемпературных (окислительный пиролиз), высокотемпературных (пиролиз-газификация) и комбинированных процессов термодеструкции органических компонентов отходов. Это находит отражение в методах комплексного рециклинга отходов - комбинированного способа обращения, включающего их сортировку (сепарацию), ферментацию, пиролиз, позволяющего получить полезную и конкурентоспособную продукцию.

Процесс пиролиза ТБО обладает технологическими преимуществами перед традиционными методами утилизации (сжигания, захоронения и компостирования). Существуют проекты уничтожения бытового мусора с помощью пиролиза, но в России опыт пиролиза отходов базируется на технологиях, не обладающих надежностью.

Затруднения с организацией утилизации шин, пластмасс и других органических отходов данным способом состоят в том, что в большинстве отходов содержится фосфор, хлор и сера, которые в окисленной форме являются легколетучими высокотоксичными химическими соединениями. Улавливание этих соединений из дыма представляет собой сложный дорогостоящий технологический процесс. Кроме того, традиционные методы создания высоких температур в пиролизных реакторах часто не являются выгодными в технологическом и экономическом отношении. Основной задачей является снижение затрат энергии на нагрев до рабочих температур и проведение пиролиза. Поэтому актуален вопрос привлечения дополнительных источников энергии.

Становится необходимой рационализация методов обращения с отходами. Наиболее важными представляются следующие аспекты, касающиеся технологии утилизации ТБО [3]:

· она должна максимально уменьшить объем отходов, подлежащих захоронению на полигонах, и максимально сократить уже захороненные массы, подвергающиеся естественным процессам разложения в окружающей среде;

· данная технология должна обладать низкой капиталоемкостью, предполагать относительно низкие эксплуатационные затраты, иметь малую энергоемкость;

· она должна отвечать современным экологическим и технологическим требованиям;

· технология должна быть универсальной (перерабатывать жидкие и твердые отходы);

· она должна соответствовать законодательным требованиям, а именно нормам предельно допустимой концентрации;

· данная технология должна приводить к рециклингу (рекуперации) вторичного минерального сырья либо к получению конечных ценных продуктов, реализация которых позволит окупить вложенные инвестиции и превратить сферу обращения с отходами в вид рентабельной деятельности.

Библиографический список

отходы бытовой промышленный пиролиз

1. Шубов Л.Я. Проблема муниципальных отходов и рациональные пути ее решения // Экология и промышленность России. 2005. № 1. C. 34-39.

2. Коровин И.О., Медведев А.В., Багабиев Р.Р. Перспективы пиролизной утилизации твердых бытовых отходов // Известия вузов: Нефть и газ. 2004. № 3. C. 112-118.

3. Гунич С.В., Янчуковская Е.В., Днепровская Н.И. Перспективы развития пиролитической технологии переработки органических компонентов твердых бытовых отходов в моторное топливо // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 2. C. 124-128.

Размещено на Allbest.ru