§ 5.6. Утилизация и переработка твердых отходов

Твердые отходы возникают как в результате производственной деятельности, так и при потреблении.

Отходы производства — это остатки исходного сырья и материа­лов, образовавшиеся в производстве продукции и полностью или частично утратившие свои потребительские свойства, а также продук­ты переработки сырья, получение которых не являлось целью произ­водственного процесса. Образование отходов без изменения структуры исходного сырья характерно для добычи полезных ископаемых откры­тым способом, для лесной, деревообрабатывающей, горнодобывающей и угольной промышленности и т.д. В других производствах образова­ние отходов сопряжено с физико-химическими превращениями исход­ных материалов. В результате наряду с основными продуктами образу­ются отходы производства и побочные продукты. Это характерно для химической промышленности, черной и цветной металлургии.

Отходами потребления являются различного рода изделия и мате­риалы, которые по тем или иным причинам непригодны для дальней­шего использования. Эти отходы делятся на промышленные и быто­вые. К первым относятся, например, металлолом, выходящее из строя оборудование, изделия технического назначения из резины, пластмасс, стекла и т.д.

Отходы производства и потребления, применение которых в народ­ном хозяйстве в настоящее время невозможно или экономически неце­лесообразно, принято называть отбросами. Это название условное, так как четкого различия между отходами и отбросами не существует. Пока что технологические проблемы переработки отходов и отбросов решаются недостаточно эффективно. Необходимы дополнительные исследования по превращению большинства отходов во вторичные материальные ресурсы (BMP).

5.6.1. Переработка твердых бытовых отходов

Бытовыми отходами являются пищевые отходы, изношенные изделия бытового назначения (одежда, обувь й т.п.), тара, бумага и т.д. Бытовые коммунальные отходы представляют собой, попросту говоря, городские свалки мусора. Так, в Москве на свалки ежегодно выбрасывается несколько миллионов тонн твердых отходов.

В отличие от ископаемого сырья состав коммунальных отходов отличается большим разнообразием. В среднем городские коммуналь­ные отходы характеризуются следующим составом (%): бумага — 50 (в том числе газеты —12, картон — 11); пищевые отходы — 14; пластмассы — 10; металлы — 9 (в том числе черные металлы — 7,5, цветные метал­лы — 1,5); стекло, керамика — 9; древесина, зелень — 5; зола, пыль, грязь — 3.

По химическому составу отходы характеризуются следующим со­держанием элементов: С — 26,5%, Н .— 3,3, О — 21,9, N — 0,5, S — 0,1%. В целом твердые бытовые отходы состоят из трех основных компонентов: органической составляющей (15—50%), инертной части (1,5-40%) и воды (25-60%).

Поскольку городские свалки представляют заметную опасность для окружающей среды, необходима их утилизация. Для переработки твердых отходов применяют различные методы: сжигание в печах при высоких температурах; биологические способы превращения отходов в органоминеральные удобрения (компостирование); пиролиз.

Этими методами можно переработать лишь органическую составля­ющую коммунальных отходов, которую предварительно необходимо отделить от неорганической составляющей.

При сжигании отходов образуется большое количество летучей золы и различных газообразных соединений, в том числе токсичных. Поэтому мусоросжигающие печи должны быть оснащены системами газопылеочистки и дезодорации. В большинстве случаев коммуналь­ные отходы обладают низкой теплотой сгорания, так что приходится применять дополнительное топливо (жидкое или газовое).

Рис. 22. Схема установки для сжигания твердых отходов:

1 — мусоросборник; 2 — погружной ковш; 3 — печь для сжигания; 4 — охладитель дыма; 5 — очистка дыма; б —дымовая труба; 7—компрессор для дыма; 8—электромагнитный сепаратор; Р — на­копитель шлака; 10—накопитель материала, содержащего железо; 11—охладитель шлака; 12— разгрузка шла ка; 13 — компрессор для воздуха

177

Как правило, мусоросжигающие заводы оказываются рентабельны­ми, если они "попутно" вырабатывают пар и электроэнергию. Принци­пиальная схема установки для сжигания твердых отходов представле­на на рис. 22. Здесь отходы поступают сначала в мусоросборник 1,

Рис. 23. Принципиальная схема печи сгорания:

1 — ввод твердых отходов; 2—дым; J—ка­мера для горения;'/—второстепенный воз­дух; 5—выход шлака; 6—горелка; 7— основной воздух; 8 —- держатель отходов

откуда перегружаются с помощью ков­ша 2 в печь 3. Воздух подается ком­прессором 13. Шлак и пепел непрерыв­но выгружаются из камеры сгорания и. остывают в охладителе 11. С помощью электромагнитного сепаратора 8 из золы отделяется железо, которое соби­рается в накопителе 10. Остатки золы складируются в накопителе 9, откуда подаются на дальнейшую транспорти­ровку. Образующийся дым в процессе сгорания охлаждается в охладителе 4> затем очищается на очистной установке . 5 и с помощью компрессора 7 выбрасы­вается в дымовую трубу 6.

Основной частью установки для сжи­гания твердых отходов является печь сгорания (рис. 23).

При биологическом способе перера­ботки твердых отходов (рис. 24) их вначале измельчают в измельчите­ле 1 до определенной степени дисперсности. После этого в емкости 3 полученную массу смешивают с водой для получения коллоидного раствора, который подается затем в ферментеры. Для аэробного окис­ления полученной смеси активным илом используют аэротенк.

178

При анаэробной ферментации используют метанотенки с попутным получением биогаза. Твердый остаток, который не поддается биологи­ческому разрушению, поступает в сушилку 4 и затем брикетируется на прессах 6.

Если в твердых отходах содержится большое количество целлюло­зы, они могут подвергаться гидрогенизации с получением бензина (выход достигает 13%) либо ферментативному гидролизу с образовани­ем метилового и этилового спиртов.

При компостировании отходов органическую массу сбраживают в барабанных аппаратах или на воздухе в специальных штабелях при непрерывном ворошении. Штабелирование дешевле, но может сопро­вождаться выделением неприятного запаха.

При пиролизе, который проводится в закрытых реакторах без доступа воздуха (рис. 25), получается твердый осадок, а образующиеся газообразные и жидкие продукты сжигают с целью регенерации тепло­ты.

Трудности практического осуществления пиролиза связаны с из­менением состава исходного сырья, что сказывается на протекании

179

технологического процесса и приводит к вредным выбросам в атмо­сферу.

Неорганическую часть отходов отделяют от органической на ста­дии сепарации, а затем после разделения на фракции направляют на переработку: добавляют как составляющую часть в шихту сталепла­вильных и стекольных печей или печей для выплавки вторичных цветных металлов; измельченную керамику направляют для производ­ства строительных материалов и т.д.

Таким образом, имеется принципиальная возможность полной утилизации коммунальных отходов, т.е. создание безотходного город­ского хозяйства. Однако на практике все еще большая часть отходов отправляется на свалки. Причина — большие затраты на переработку отходов. Так, в США захоронение отходов обходится в 2,57 долл. за тонну, тогда как пиролиз обходится в 5,42 долл./т, компостирование — 6,28 долл./т, сжигание с получением электроэнергии — в 8,97 долл./т.

Для расширения масштабов переработки отходов необходима раз­работка новых высокоэффективных химико-технологических процессов их биологической переработки и пиролиза. Большое значение имеет удешевление и повышение эффективности сепарации, так как при достижении однородности состава разделяемых фракций можно су­щественно повысить эффективность дальнейшей переработки отходов.

5.6.2. Утилизация технологических твердых отходов

Технологические отходы наиболее характерны для рудодобываю-щей и химической промышленности. Большой объем твердых отходов, значительная часть которых содержит ценные компоненты, обусловли­вает необходимость их утилизации с целью возврата в сферу производ­ства. Пока что ни один из видов крупнотоннажных отходов химичес­кой промышленности, черной и цветной металлургии, угледобываю­щей и деревообрабатывающей промышленности не отнесен к катего­рии товарной продукции соответствующей отрасли. Это означает, что предприятия не отвечают за состав отходов и другие параметры, от которых зависит технология их дальнейшей переработки.

Как указывалось выше, все виды производственных отходов можно разделить на вторичные материальные ресурсы, которые доступны дальнейшей переработке, и на отходы, переработка которых нецелесо­образна. Фактически любые отходы можно рассматривать как продук­ты незавершенного производства, образование которых в процессе добычи и переработки сырья обусловлено недостаточным уровнем развития технологии. Для комплексной переработки сырья необходи­мо знание физико-химических свойств отходов и их изменения в про­цессе хранения. Так, многие виды отходов, например шлаки, претер­певают существенные изменения в процессе их хранения. Возможность использования этих отходов в качестве BMP меняется во времени и нуждается в дополнительном анализе.

Из всего многообразия отходов и побочной продукции химической промышленности в номенклатуру BMP включено около 120 видов, имеющих промышленное значение. Приведем примеры использования отходов в качестве BMP.

При получении серной кислоты из колчедана после извлечения основной массы серы остается твердый порошок — пиритный огарок. На каждую тонну H2SO4 образуется около 0,6 г огарка, содержащего 58% Fe и 5% Си, а также сульфат кальция, небольшие количества серебра, золота и некоторых других компонентов. Пиритный огарок может использоваться в цементной и стекольной промышленности, а также в производстве строительных материалов.

При переработке фосфорсодержащего сырья в комплексные удобре­ния на стадии сернокислотного разложения фосфатов в качестве отхо­дов производства образуется фосфогипс, в составе которого содержат­ся SO3, CaO, P2O5, Г, а также соединения Mg, Si и редких металлов. При производстве 1 т фосфорной кислоты (в расчете на 100% Р2О5) образуется 4—6 т фосфогипса (в расчете на сухое вещество). Фосфо­гипс можно использовать для мелиорации солонцовых почв, в произ­водстве цемента, для получения серной кислоты, извести и т.д. Тем самым экономится традиционное сырье (природный гипс, колчедан, известняк) и сокращаются расходы на сооружение и эксплуатацию хранилищ фосфогипса.

Хвосты флотации серных руд содержат 70-60% карбоната кальция и с успехом применяются в качестве удобрений для кислых почв (после обезвоживания до содержания воды 12—14%).

При производстве кальцинированной соды на каждую тонну гото­вой продукции образуется 8 т раствора (дистиллярной жидкости), содержащего NaCl (5%) и СаСЬ (10%). Разработано несколько вариан­тов утилизации этого раствора с получением СаСЬ и NaCl, известко­вой муки, извести и других полезных продуктов.

Перечень примеров можно было бы продолжить. По предваритель­ным оценкам, суммарный объем BMP из отходов только химической промышленности достигает десятков миллионов тонн в год. Плюс к этому огромные количества отходов, накопленные в предыдущие годы.

Твердые отходы, не являющиеся BMP, обезвреживают или подвер­гают захоронению. С этой целью наиболее часто применяют следую­щие способы: физико-химическую очистку, складирование в поверхностных хранилищах, захоронение токсичных отходов в поверхностном слое земли и др.

Одним из основных способов захоронения крупнотоннажных твер­дых отходов химических производств является их складирование в поверхностных хранилищах. Однако такой способ хранения сопряжен с отчуждением значительных площадей земли, а также с загрязнением поверхностных и подземных вод.

Известно несколько видов поверхностных хранилищ. В основном это щламонакопители, которые строят по одно- и многокаскадному принципу с созданием плотины, берегов и чаши шламохранилища, а также снабжают противофильтрационными устройствами, выполненны­ми из глинистых, битумных и полимерных материалов в один или несколько слоев.

После заполнения емкости шламонакопителя возникает необходи­мость консервации отходов. При этом должны соблюдаться условия, обеспечивающие долговременное хранение отходов без опасности за­грязнения окружающей среды и воздействия на хранилище атмосфер­ных осадков, ветра и т.д. Необходимо также иметь в виду возможность утилизации отходов в будущем.

Подводя итог рассмотрению почвенных экосистем, отметим, что воздействие человека на земную поверхность многофакторно. Здесь и чисто механические преобразования земной поверхности, и вмешатель­ство человека в растительный покров и в естественный влагооборот, и химическое загрязнение почв и подземных вод, и огромные масштабы строительных работ. В то же время химические и химико-биологичес­кие основы землепользования развиты пока недостаточно. Здесь пред­стоит еще провести многочисленные исследования, чтобы выявить основные закономерности формирования почвенного плодородия, выявить механизмы взаимодействия растений друг с другом, с живот­ным миром и окружающей цеживОй природой. В этом смысле уровень познания экохимических процессов, протекающих в природных водах, гораздо более высок.

ЛИТЕРАТУРА

Байда Л.К. Проблемы гигиены и токсикология пестицидов. — Киев, 1981, ч. 2. — 217 с.

Буров В.Н., Сазонов А.П. Биологически активные вещества в защите растений. — М.: Агропромиздат, 1987. — 199 с.

Великанов Л.Л., Сидорова И.И. Экологические проблемы защиты растений от болезней. - М.: ВИНИТИ, 1988. - 143 с. 182

Геншрук С.А., Гайдарова Л.И. Охрана лесных экосистем. — Киев: Урожай, 1984. - 199 с.

Гродзинекий А.М. Роль аллелопатии в растениеводстве. — Киев.: Наукова думка, 1982. — 184 с.

. Гродзииский А.М. Химическое взаимодействие растений. — Киев: Наукова думка, 1981. — 219 с.

1>сев Н.Г., Беляев В.А. Радиоактивные выбросы в биосфере: Справочник.

— М.: Энергоатомиздат, 1986. — 223 с.

Добровольский Г.В., Гришина Л.А. Охрана почв. — М.: Изд-во МГУ, 1985.

— 224 с.

Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. — М.: Изд-во МГУ, 1987. — 256 с

Звягинцев ГЛ. Промышленная экология и технология утилизации отходов.

— Харьков: Изд-во при Харьковском ун-те, 1986. — 143 с.

Курдюков В.В. Последействие пестицидов на растительные и животные организмы. — М.: Колос, 1982. — 128 с.

Мирчинк Т.Г. Почвенная микология. — М.: Изд-во МГУ, 1976. — 208 с.

Мишустин Е.Н, Ассоциация почвенных микроорганизмов. — М.: Наука, 1975. - 107 с

Мильто Н.И., Карбанович А.И., Ворочаева Б.Т. и др. Роль микрофлоры в защите почвы от агропроизводственных загрязнений. — Минск: Наука и техника, 1984. — 133 с.

Моторина Л.В,, Савич А.И., Таймуразова Л.Х. и др. Экологические осно­вы рекультивации земель. —• М.: Наука, 1985. — 183 с.

Моргун Ф.Т., Шикула Н.К., Тарарико А.Г. Почвозащитное земледелие.

— Киев: Урожай, 1983. — 238 с

Орлов Л.С. Гумусовые кислоты почв. — М.: Изд-во МГУ, 1974. — 232 с.

Работнов Т.А. Фитоценология. — М.: Изд-во МГУ, 1983. — 292 с.

Райе Э. Аллелопатия. — М.: Мир, 1978. — 392 с.

Райе Э. Природные средства защиты растений от вредителей. — М.: Мир, 1986. - 184 с.

Сапрыкин Ф.Я. Геохимия почв и охрана природы: Геохимия, повьшгение плодородия и охрана почв. — Л.: Недра, 1984. — 231 с.

Слеюш Э.И.Охрана природы и применение химических средств в сельском и лесном хозяйстве. — Л.: Наука, 1981. — 145 с.

Хайниш Э., Паукке Х-, Нагель Г., Ханзен Д. Агрохимикаты в окружающей среде. — М.: Колос, 1979. — 257 с.

Эйхлер В. Яды в нашей пище. — М.: Мир, 1986.

Юданова Л.А. Пестициды в окружающей среде. Аналитический обзор. — Новосибирск, 1989. — 141 с.

Яблоков А.В. Ядовитая приправа. Проблемы применения ядохимикатов и пути экологизации сельского хозяйства. — М.: Мысль, 1990. — 125 с.