Безопасность и экологичность технических систем

 

 

 

 

Третьим принципом создания малоотходного производства является принцип цикличности материальных потоков (рециклинг) (см. рис. 10.26, в), где важную роль играют замкнутые водооборотные циклы, рециркуляция газовых потоков, утилизация твердых отходов. Во всем мире это направление приобретает весьма важное значение. Уже сейчас технически возможно использовать 2/3 образующихся отходов, причем капитальные вложения при переработке вторичного сырья примерно в 4 раза меньше, чем первичного. Эколого-экономический эффект использования вторичного сырья на примере трех распространенных видов отходов представлен в табл. 10.6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В нашей стране за счет использования вторичного сырья производится 30 % стали, 25 % бумага, 20 % цветных металлов. Однако существуют пределы в утилизации отходов. По мере увеличения доли вторичного сырья, в материальных циклах идет накопление примесного вещества. Например в стали, выплавленной из металлолома, накапливается медь, цинк, кобальт. При увеличении степени утилизации отходов требуются бóльшие затраты энергии на очистку и сепарацию данного вида отходов. Влияние степени утилизации на расход энергии показано на рис. 10.27.

Из этой закономерности следует вывод о принципиальной недостижимости 100 % утилизации отходов, т. е. невозможности создания абсолютно безотходного производства.

 

Правовые основы обращения с отходами определяет Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» 1998 г., который преследует две цели:

—  предотвращение вредного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую природную среду;

—  вовлечение отходов в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья.

Закон формулирует основные понятия.

 

 

Отходы производства и потребления — остатки сырья, материалов, полуфабри-катов, изделий или продуктов, образовавшиеся в процессе производства или потребления, а также товары, утратившие свои потребительские свойства (закон не распространяется на отходы в виде выбросов в атмосферу, сбросов в водные объекты, радиоактивные отходы).

Опасные отходы — отходы, содержащие вредные вещества и обладающие опасными свойствами (токсичностью, взрыво-пожароопас-ностью, высокой реакционной способностью) или содержащие возбудителей инфекционных болезней.

Обращение с отходами — деятельность, в процессе которой отходы образуются, собираются, используются, обезвреживаются, транспортируются, размешаются (хранятся или захораниваются).

Объект размещения отходов — специально оборудованное сооружение, предназначенное для временного или постоянного размещения отходов (полигон, шламохранилище, отвал горных пород и др.).

Лимит на размещение отходов — предельно допустимое количество отходов конкретного вида, которое разрешается размещать определенным способом на установленный срок с учетом экологической обстановки на данной территории (аналог ПДВ и ПДС).

Норматив образования отходов — установленное количество отходов конкретного вида при производстве единицы продукции (рассчитывается с учетом типа технологии и коэффициента использования материалов).

Паспорт опасных отходов — документ, удостоверяющий принадлежность отходов к отходам соответствующего вида и класса опасности, содержащий сведения об их составе.

Промышленные отходы (ПО) классифицируются по агрегатному состоянию: твердые (строительный мусор, пустая горная порода, шлак, зола, металлы, пластмассы, резина и т. п.); пастообразные (шламы очистных сооружений сточных вод, краски, смолы, загущенные нефтепродукты) и жидкие (смазочно-охлаждающие жидкости, растворители, отходы гальванопроизводства и т. п.). Их разделяют на два вида: нетоксичные (неопасные, нейтральные для окружающей среды и человека) и токсичные.

 

 

В соответствии с Санитарными правилами «Порядок накопления, транспортировки, обезвреживания и захоронения токсичных промышленных отходов» (1985) токсичные промышленные отходы подразделяют на четыре класса: I класс — чрезвычайно опасные (наличие в отходах ртути, хромовокислого калия, оксида мышьяка и других токсичных веществ); II класс — высоко опасные (наличие хлористой меди и никеля, азотокислого свинца, сурьмы и др.); III класс — умеренно опасные (наличие, например, сернокислой меди, оксида свинца, четырехлористого углерода); IV класс — малоопасные.

Класс опасности промышленных отходов определяется природо-пользователем расчетным путем по нормативному документу «Методические рекомендации и порядок определения класса опасности отходов» (1996).

Природопользователь, кроме того, обязан организовать сбор, временное хранение токсичных отходов на территории предприятия, рассчитать норматив образования отходов, согласовать лимит на размещение отходов с территориальными органами Госсанэпидемнад-зора и составить паспорт опасных отходов.

Нетоксичные ПО используются для засыпки оврагов, в качестве изолирующего материала на свалках бытовых отходов, при строительстве дорог и дамб. Часть токсичных отходов, слаборастворимых в воде, III и IV классов опасности допускается для совместного складирования и сжигания с твердыми бытовыми отходами при условии соблюдения санитарно-гигиенических требований.

Основная номенклатура токсичных ПО в соответствии со СНиП 2.01.28—85 должна подвергаться обработке на специальном региональном полигоне. Полигон является природоохранным объектом, включающим:

—     завод по обезвреживанию и утилизации токсичных ПО;

—     гараж специализированного автотранспорта;

—     участок захоронения неутилизируемых токсичных отходов;

—     сооружения очистки поверхностных вод, хозяйственно-бытовой канализации и дренажа.

 

 

На полигоне осуществляют сбор токсичных ПО на предприятиях, их транспортировку, прием, учет, обезвреживание и захоронение.

Статистика промышленных стран Европы показала, что подавляющее количество токсичных ПО (до 80 %) органического происхождения. По физическому состоянию и теплотворной способности отходы бывают:

 

 

 

 

Наиболее распространенными методами обезвреживания токсичных промышленных отходов в настоящее время являются:

— для отходов органического происхождения — сжигание при высоких температурах —900÷1100°С (при наличии галогенсодержащих соединений до 1200÷1400°С). При этом методе большая часть всех токсичных отходов обезвреживается, а объем несгоревших остатков может быть доведен до 10 % первоначального объема;

 

 

 

 

— для неорганических веществ — физико-химическая обработка в несколько стадий, которая приводит к образованию безвредных, нерастворимых в воде соединений.

 

 

Типичная установка для сжигания неутилизируемых токсичных органических отходов представлена на рис. 10.28. Вращающийся барабан печи является основным элементом установки для сжигания отходов. Загрузка печи твердыми отходами осуществляется мостовым краном с грейфером, пастообразные отходы в бочках подаются при помощи роликовых транспортеров, жидкие отходы — насосами по трубопроводам к форсункам-горелкам. Скорость дымовых газов в барабане 2 ч÷3 м/с, коэффициент избытка воздуха α = 2,2 ÷ 2,5, время нахождения отходов в печи 0,5 ÷ 2 ч.

В камере дожигания достигается полное окисление всех органических загрязнений дымовых газов. В нижней части печи располагается система мокрого золо-шлакоудаления. Для охлаждения выходящих из камеры дожигания дымовых газов и утилизации теплоты сгорания отходов с целью выработки перегретого водяного пара устанавливается котел-утилизатор. Система очистки дымовых газов, как правило, состоит из очистки газов от пыли (циклон, электрофильтр) и адсорбции токсичных газов (скруббер, орошаемый водным раствором солей с добавлением щелочных компонентов).

 

 

 

 

Технологии переработки неорганических отходов основываются на механических, гидродинамических, тепловых, диффузионных, химических, биохимических процессах. В реальной технологии обезвреживания и утилизации токсичных отходов сочетаются различные методы воздействия.

Наиболее распространенные методы подготовки твердых отходов к переработке, лежащие в основе большинства технологических схем, представлены на рис. 10.29. Пример технологической схемы переработки аккумуляторного лома изображен на рис. 10.30.

Твердые бытовые отходы (ТБО). В мировой практике известно более 20 методов переработки ТБО, которые по конечной цели делятся на ликвидационные (в основе санитарно-экологические задачи) и утилизационные (использование вторичных ресурсов). Большинство этих методов не нашли значительного распространения в связи с их технологической сложностью и высокой себестоимостью переработки ТБО.

Наибольшее практическое распространение получили следующие методы:

—     складирование на полигоне (свалке);

—     сжигание;

—     аэробное биотермическое компостирование;

—  комплекс компостирования и сжигания (или пиролиза).

 

 

Полигон ТБО — наиболее простое и дешевое сооружение, устраиваемое в местах, где основанием могут служить глины и тяжелые суглинки. Основная масса ТБО вывозится на такие полигоны (свалки), которые являются источниками загрязнения почвы, грунтовых вод и атмосферы, служат рассадником мух и крыс.

 

 

 

 

В государствах с жестким законодательством по охране окружающей среды ТБО либо сжигают, либо перерабатывают. К 2010 г. страны ЕЭС предполагают запретить 100 %-е захоронение ТБО на полигонах.

Самая серьезная проблема — это загрязнение грунтовых вод. Вода с растворенными в ней загрязнителями называется фильтратом, в котором, наряду с остатками разлагающейся органики, красителей и другими химикатами, присутствует железо, ртуть, свинец, цинк и другие металлы из ржавеющих консервных банок, разряженных батареек и других электроприборов.

Вторая проблема — образование метана. У захороненного мусора нет доступа к кислороду. Поэтому его разложение идет анаэробно, с образованием биогаза, на 2/3 состоящего из легковоспламеняющегося метана. Образуясь в толще захоронения отходов, он может распространяться в земле горизонтально, проникая в подвалы зданий, тоннели коммуникаций, накапливаться там и взрываться. Метан, распространяющийся вверх, отравляет корни, губит растительность в местах захоронения отходов.

 

 

 

 

Реальная плата населения за захоронение ТБО на полигонах составляет от 30 до 50 руб. на человека в год и около 60 % этих средств расходуется на транспортировку.

На рис. 10.31 представлена схема современного захоронения отходов с системой защиты окружающей среды. Могильник расположен на возвышенности, значительно выше уровня грунтовых вод. Дно его изолировано уплотненным слоем глины, на котором находится слой щебня для отвода фильтрата и метана. Один слой мусора укладывается на другой, уплотняется, засыпается грунтом так, что получается пирамидообразная насыпь, с которой стекает вода. Могильник окружен скважинами, с помощью которых ведется мониторинг загрязнения грунтовых вод.

По периметру всей территории полигона ТБО устраивается легкое ограждение, осушительная траншея глубиной более 2 м или вал высотой не более 2 м. Подробные гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов для ТБО сформулированы в СанПиН 2.1.7.1038—01. Появился новый документ.

Мусоросжигательные заводы получили значительное распространение в странах с высокой плотностью населения и дефицитом свободных площадей (ФРГ, Япония, Швейцария и др.).

 

Теплота сгорания ТБО линейно зависит от массовой доли углерода и водорода в них и сопоставима с торфом и бурыми углями. Так, например, ТБО г. Москвы (Q = 7,23 МДж/кг) даже превосходят некоторые сорта бурого угля. Таким образом, использование ТБО можно рассматривать и с точки зрения энергосбережения, так как заводы оснащены оборудованием для утилизации тепла. На мусоросжигательные заводы возможен прием инфицированных отходов медицинских учреждений.

На существующих мусоросжигающих заводах в печах с колосниковыми решетками при относительно низких температурах (600÷800°С) сгорает всего 70÷75 % составляющих ТБО. Несгоревшие остатки требуют специального захоронения или обезвреживания.

Главный недостаток мусоросжигательных заводов — трудность очистки от примесей отходящих в атмосферу газов, особенно от диоксинов. Для снижения экологической опасности приходится предусматривать вторую и третью ступени газоочистки, что еще больше увеличивает капитальные затраты. Следует отметить, что на всех заводах производится извлечение в качестве вторичного сырья черного металлолома.

В московском регионе с середины 70-х годов функционируют три мусоросжигательных завода, в настоящее время они реконструируются и строятся еще четыре. Строительство заводов позволяет сберечь сотни гектаров дорогих пригородных земель, занимаемых полигонами, и сократить потребность в парке мусоровозов.

Высокая степень очистки дымовых газов полностью удовлетворяет требованиям российских нормативов по содержанию вредных веществ. Это достигается за счет установки реактора, в котором активированный уголь улавливает диоксины, фураны и соединения тяжелых металлов; известковое молоко нейтрализует SO2, HF, HCl; концентрация NOX существенно снижается за счет системы впрыска карбамида; рукавный фильтр улавливает летучую золу.

Образующийся при сжигании ТБО шлак, зола и нерастворимые соли кальция из реактора перерабатываются в строительные материалы. Утилизация вырабатываемого тепла (30 т пара в час) позволяет полностью обеспечить потребности завода в тепловой и электрической энергии, а их излишки передавать в городские электрические сети.

 

 

1 — грейферный  кран; 2 — приемный бункер, оснащенный пластинчатым питателем; 3 — резервный бункер; 4 — пункт отбора утильных фракций;  
5 — биотермический барабан; 6 — цилиндрический грохот для компоста;  
7— подвесной конвейерный железоотделитель; 8— крупный отсев; 9— сепаратор цветного металлолома; 10 — дробилка для доизмельчения компоста;  
11 — контрольный грохот для компоста; 12 — плужковый сбрасыватель;  
13 — бункер балласта; 14 — накетировочный пресс для металлолома; /5— склад черного металлолома; 16 — штабеля компоста