Методы утилизации твердых бытовых отходов и их недостатки

Полигон ТБО представляет собой инженерное сооружение, которое проектируется для охраны окружающей среды с учетом возможности максимального использования самих свойств отходов и преимуществ отведённого участка. Каждый полигон имеет свои собственные особенности проектирования, которые напрямую зависят от специфики местных условий. Сегодня в мире не существует типовых проектов полигонов, поскольку каждый из них является уникальным, а можно типизировать только лишь решение отдельных конструкционных узлов и технологических приёмов. Поэтому совершенно различны и площадки, используемые для складирования ТБО – полигон твердых бытовых отходов может быть расположен в овраге, на плоском рельефе, либо в выработанном карьере. Само собой, в виду необходимости индивидуального подхода к каждому полигону, созданием практика полигона ТБО должны заниматься только специализированные организации[3].

Определяющий признак типизации полигонов ТБО – степень экологической опасности их воздействия на окружающую среду.

По степени опасности выделяются три группы полигонов ТБО:

1) потенциально опасные полигоны;

2) полигоны средней экологической опасности;

3) полигоны относительно безопасные и практически не оказывающие воздействия на природную среду[4].

          Основной  целью проектирования полигона ТБО является защита окружающей среды от загрязнения продуктами разложения мусора при максимально экономном использовании отведённых для складирования площадей. Эта цель достигается следующими методами:

- изоляцией отходов, обеспечивающей  полную санитарно-эпидемиологическую безопасность населения, которое проживает за пределами санитарно-защитной зоны, и безопасность обслуживающего полигон отходов персонала.

- обеспечением статической устойчивости  складируемых на полигоне отходов  с учётом динамики газовыделения, гидрологических условий и уплотнения мусора.

- возможностью дальнейшего использования  земельного участка после того, как полигон будет закрыт.

Главный минус традиционного захоронения отходов заключается в том, что даже при использовании многочисленных систем очистки и фильтров этот вид утилизации не дает возможности полностью избавиться от таких негативных эффектов разложения отходов как гниение и ферментация, которые загрязняют воздух и воду. Поэтому, хотя относительно других способов утилизации, захоронение ТБО стоит достаточно дешево, экологи рекомендуют перерабатывать отходы, сводя к минимуму тем самым риски загрязнения окружающей среды.

Негативные последствия представлены на рис. 7

 

Рисунок 7 – Схема, показывающая негативные последствия захоронения ТБО на полигонах.

Для того чтобы сократить до минимума негативное влияние полигонов на окружающую среду, необходимо их рекультивировать[4].

Природоохранные мероприятия на полигонах ТБО направлены прежде всего на организацию сбора и обработки фильтрата, загрязненных поверхностных вод, на сбор и утилизации свалочного газа, создание защитных экранов основания, бортов и поверхности полигона.

2.2 Мусоросжигание

Мусоросжигание – это наиболее сложный и высокотехнологичный вариант обращения с отходами. Сжигание требует предварительной обработки ТБО (с получением топлива, извлеченного из отходов). При разделении из ТБО стараются удалить крупные объекты, металлы (как магнитные, так и немагнитные) и дополнительно его измельчить[1]. Для того чтобы уменьшить вредные выбросы, из отходов также извлекают батарейки и аккумуляторы, пластик, листья. Сжигание неразделенного потока отходов в настоящее время считается чрезвычайно опасным. Таким образом, мусоросжигание может быть только одним из компонентов комплексной программы утилизации.

Сжигание позволяет примерно в 3 раза уменьшить вес отходов, удалить некоторые неприятные свойства: запах, выделение токсичных жидкостей, бактерий, привлекательность для птиц и грызунов, а также получить дополнительную энергию, которую можно использовать для получения электричества или отопления.

Экологические воздействия мусоросжигательных заводов в основном связаны с загрязнением воздуха, в первую очередь – мелкодисперсной пылью, оксидами серы и азота, фуранами и диоксинами. Серьезные проблемы возникают также с захоронением золы от мусоросжигания, которая по весу составляет до 30% от исходного веса отходов и которая в силу своих физических и химических свойств не может быть захоронена на обычных свалках. При сжигании 3 т твердых бытовых отходов образуется около 1 т токсичной золы, которую придется захоранивать на специализированных полигонах для токсичных отходов[1]. Для безопасного захоронения золы применяются специальные хранилища с контролем и очисткой стоков.

Функционирование мусоросжигательных заводов, которые приносят огромный экологический вред, и в то же время не может кардинально решить проблему утилизации отходов.

Можно достаточно четко сформулировать преимущества и недостатки мусоросжигания (табл. 1).

Таблица 1 – Преимущества и недостатки мусоросжигания

Преимущества метода	Недостатки метода
уменьшение объема отходов в 10 раз	опасность загрязнения атмосферы
снижение риска загрязнения почвы и воды отходами	уничтожение ценных компонентов
возможность рекуперации образующегося тепла	высокий выход золы и шлаков (около 30% по массе)
	низкая эффективность восстановления черных металлов из шлаков
	сложность стабилизации процесса сжигания

            Последствия негативного влияния  мусоросжигания представлены на схеме (приложение А).

Мусоросжигание уменьшает объем отходов, попадающих на свалки, и может использоваться для производства электроэнергии. Хотя сжигание всех отходов без разбора – это технология прошлого, современные мусоросжигательные установки, оборудованные системами очистки выбросов, генераторами электроэнергии и используемые в комбинации с другими методами утилизации ТБО могут помочь справиться с потоком мусора, особенно в плотно населенных областях.

            2.3 Пиролиз отходов

Пиролиз: это разложение отходов под воздействием высоких температур (более 600° C) во вращающихся трубчатых печах без доступа кислорода[2].

Процесс пиролиза может быть избирательным и неизбирательным. При избирательном процессе разрушается определенная химическая связь в молекуле компонента отходов. Так как ТБО представляют собой сырье, разнообразное по размеру, составу и химическому строению, возможность проведения избирательного процесса пиролиза отходов исключается, потому что воздействовать на определенную химическую связь невозможно. Поэтому, для бытовых отходов можно говорить только о неизбирательном процессе, в результате которого образуется большее количество различных химических соединений, чем это требуется. Следовательно, образующаяся парогазовая смесь представляет собой результат ряда последовательно протекающих реакций. Каждая отдельная реакция является одним из звеньев в сложной цепи многочисленных химических  реакций, а продукты одной реакции служат исходными веществами для последующих.

При термическом разложении ТБО можно выделить в основном два типа реакций:

1) термический распад исходного  вещества и дальнейшее разложение  получающихся промежуточных соединений;

2) конденсация и полимеризация  молекул, образовавшихся в результате  первичных реакций деструкции исходного сырья.

          При  пиролизе отходов протекают связанные  между собой процессы сушки, сухой  перегонки (собственно, пиролиз), газификация  и горение коксового остатка  с выделением газообразных продуктов. Сам процесс пирогенетического  разложения отходов характеризуется выделением смолы, газа, углеродистого твердого остатка (кокса). Таким образом, выходящий продукт является сложной смесью газообразных, жидких и твердых веществ, состав которых зависит от химической природы сырья и физических параметров нагрева.

Существует два различных типа пиролиза токсичных промышленных отходов.

Окислительный пиролиз – процесс термического разложения промышленных отходов при их частичном сжигании или непосредственном контакте с продуктами сгорания топлива. Данный метод применим для обезвреживания многих отходов, в том числе «неудобных» для сжигания или газификации: вязких, пастообразных отходов, влажных осадков, пластмасс, шламов с большим содержанием золы, загрязненную мазутом, маслами и другими соединениями землю, сильно пылящих отходов. Кроме этого, окислительному пиролизу могут подвергаться отходы, содержащие металлы и их соли, которые плавятся и возгорают при нормальных температурах сжигания, отработанные шины, кабели в измельченном состоянии, автомобильный скрап. Метод окислительного пиролиза является перспективным направлением ликвидации твердых промышленных отходов и сточных вод.

Сухой пиролиз обеспечивает их высокоэффективное обезвреживание и использование в качестве топлива и химического сырья, что способствует созданию малоотходных и безотходных технологий и рациональному использованию природных ресурсов. Сухой пиролиз – процесс термического разложения без доступа кислорода. В результате образуется пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкий продукт и твердый углеродистый остаток. В зависимости от температуры, при которой протекает пиролиз, различается:

  1)      Низкотемпературный пиролиз или полукоксование (450 - 550° С). Данному виду пиролиза характерны максимальный выход жидких и твердых (полукокс) остатков и минимальный выход пиролизного газа с максимальной теплотой сгорания. Метод подходит для получения первичной смолы – ценного жидкого топлива, и для переработки некондиционного каучука в мономеры, являющиеся сырьем для вторичного создания каучука. Полукокс можно использовать в качестве энергетического и бытового топлива.

2)      Среднетемпературный пиролиз или среднетемпературное коксование (до 800° С) дает выход большего количества газа с меньшей теплотой сгорания и меньшего количества жидкого остатка и кокса.

3)      Высокотемпературный пиролиз или коксование (900 - 1050° С). Здесь наблюдается минимальный выход жидких и твердых продуктов и максимальная выработка газа с минимальной теплотой сгорания – высококачественного горючего, годного для далеких транспортировок. В результате уменьшается количество смолы и содержание в ней ценных легких фракций. При высокотемпературном пиролизе стремятся избегать повышения температур процесса свыше 1300° C, чтобы избежать размягчения и превращения в жидкоплавкое состояние шлаков, что может привести к  неработоспособности системы шлакоудаления.

Метод сухого пиролиза получает все большее распространение и является одним из самых перспективных способов утилизации твердых органических отходов и выделении ценных компонентов из них на современном этапе развития науки и техники.

Каждому процессу соответствует своя пиролизная установка, основным элементом которой является реактор, представляющий из себя шахтную печь со встроенной внутри швельшахтой (рис. 8) [1].

Под воздействием собственного веса отходы опускаются через швельшахту в нижнюю часть реактора, куда подается подогретый до 400° C воздух, который по количеству недостаточен для полного сгорания отходов. Углеродистый остаток от разложения бытового мусора сгорает, а дымовые газы, пройдя систему газоочистки, поступают потребителю. Полученные в результате пиролиза компоненты пиролиза (газ и нефтеобразные продукты) могут быть использованы.

1 – реактор; 2 – циклон; 3 – бункер  твердых карбонатов; 4 – вентилятор; 5 – камера сжигания пирогаза для подогрева воздуха; 6 – воздухоподогреватель; 7 – бункер шлака

Рисунок 8 – Схема установки пиролиза ТБО

Считается, что пиролиз обеспечивает высокоэффективное обезвреживание отходов, их энерготехнологическое использование в качестве топлива и сырья для химической промышленности при одновременном предотвращении выбросов, загрязняющих окружающую среду, но последующие исследования не подтвердили экологическую чистоту пиролиза.

В таблице 2 приведены некоторые виды и концентрации вредных веществ, содержащихся в пиролизном газообразном продукте[1]

Таблица 2 – Концентрации вредных веществ в пиролизном газообразном продукте

Компоненты	Концентрация, мг/м³
NH3	900-3000
HCN	15-100
H2S	200-700
SO2	200-800
R-SH	Около 1000
HCl	Около 1000

Таким образом, пиролизный газ, содержащий все указанные вредные и отравляющие вещества, не только будет насыщать окружающую среду из-за невозможности его полного отвода от реактора и произвольного выброса при поступлении свежего мусора, но и при его сжигании в какой-либо установке, так как не существует универсальных газоочистных устройств, которые очищали бы отходящие газы от всех вредных веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            2.4 Биотермическое компостирование