CC BY
263
--------------------------------------------- © Н.И .Абрамкин, Е.В.Кочетов,
Р.А.Захарова, Р.А. Степанов,
2010
УДК 658.567.1
Н.И. Абрамкин, Е.В. Кочетов, Р.А Захарова,
Р.А. Степанов
ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ УТИЛИЗАЦИИ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
Наряду с энергетическими проблемами обостряются экологические проблемы, обусловленные ускоряющимися темпами роста потоков твёрдых бытовых отходов (ТБО) в городах, а эти проблемы можно и нужно решать по- новому используя геотехнологи-ческие подходы.
Ключевые слова: утилизация, отходы потребления, сжигание, пиролиз.
Семинар № 10
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 об-
щей 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°С).
ТБО обладают рядом специфических свойств. Сюда следует отнести их сле-живаемость, т.е. способность уплотняться и выделять фильтрат без дополнительного внешнего воздействия только при длительной неподвижности. Продолжительный контакт ТБО с металлами вызывает их коррозию,
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 административно-общественного 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.
Таблица 2
Морфологический состав ТБО (% по массе)
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
Таблица 3
Данные о соотношении различных методов обезвреживания ТБО в наиболее развитых странах
Метод Бывш. СССР Дания ФРГ Франция Япония Швеция Швейцария
Захоронение на полигонах и свалках 95 17 60 40 25 35 0
Сжигание 4 80 34 42 72 55 100
Компостирование 1 3 0 9 0 10 0
Другие методы 0 0 6 9 3 0 0
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.
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 физикохимической 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, санитарногигиенические 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, №, Си, Со, Zn, 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, мясомолочной 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 не-утилизируемых городских ПО, исключая особо токсичные, а также инертный строи-
тельный мусор и т.п., в настоящее время является сжигание, что подтверждается опытом Дании, Финляндии, Германии, Швеции и др. стран. Ликвидация и обезвреживание отходов является 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-гигиени-ческих 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 об 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 течении 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 капиталь-ное 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 уплотняется. 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 не-компостируемых 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 (круп-
ные). Установки 1 и 2 групп без утилизации теплоты рекомендуются для уничтожения специфических отходов медучреждений, трупов животных. Установки 3 группы чаще всего применяют в городах или районах с населением более 200 тыс. чел. Данные табл. 3 свидетельствует о большом отставании России и других стран СНГ во внедрении наиболее прогрессивного способа обезвреживания ТБО.
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 органического вещества с образованием пара, жидкой фракции(слоя масел) и газа с выделением твердого остатка(углерода). При пиролизе происходят сушка, сухая перегон-ка(собственного пиролиза), газификация и горение коксового остатка, взаимодействие образовавшихся газообразных продуктов.
Выбор метода обезвреживания ТБО зависит от местных условий и определяется
1. Яношевская Д. А., Мельников Ю. Ф., Корсаков И. Н. Санитарная техника городов. - М. - Стройиздат. - 1990. - 321 с.
2. Совершенствование сбора, удаления, обезвреживания и утилизации твердых бытовых отходов. - Киев. - УкрНИИНТИ. - 1990.
технико-экономическими показателями при обязательном учете санитарноэпидемиологической 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
3. ГОСТ 12.1.007.76. «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности». ЕШ
— Коротко об авторах --------------------------------
Абрамкин Н.И. - доктор технических наук, профессор. Кочетов Е.В. - кандидат социологических наук, доцент. Степанов Р.А. - аспирант.
Захарова Р.А. - аспирант.
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
