Переработка отходов производства и потребления

Экстракторы классифицируют по способу действия (периодические и непрерывно действующие, по направлению движения фаз (противо- и прямоточные, с процессом полного смешения, с процессом в слое и комбинированные), по характеру циркуляции растворите­ ля (с однократным прохождением, с рециркуляцией и ороситель­ ные) и по ряду других признаков. Наиболее простым экстрактором для экстракции из жидкостей может быть емкость с мешалкой. Бо­ лее сложным аппаратом является колонный экстрактор распыли­ тельного, тарельчатого и насадочного типов. Для ускорения про­ цесса экстракции в экстракторах используют различные виды внешнего воздействия на жидкость: специальные перемешивающие устройства, низкочастотные колебания и др.

Для экстрагирования компонентов из твердой фазы используют карусельные, конвейерные, шнековые, барабанные, смесительно­ отстойные и другие экстракторы. Экстрагирование широко приме­ няется при переработке отвалов горнодобывающей промышленно­ сти, некоторых металлургических и топливных шлаков, пиритных огарков, древесных и многих других отходов.

6.8. Химические процессы переработки отходов

Химические процессы широко используются для очистки газо­ вых выбросов, сточных вод и при переработке твердых отходов. Как правило, в химическом процессе участвует несколько веществ. Скорость и полнота протекания химических процессов зависят от температуры, давления, продолжительности, концентрации ве­ ществ, интенсивности перемешивания, активности катализатора и некоторых других параметров. Собственно химический процесс со­ провождается переносом вещества и теплоты. В соответствии с этим влиять на химический процесс можно, изменяя продолжи­ тельность, рабочие концентрации исходных веществ, температур­ ный режим, поверхность контакта гетерогенных фаз, а также под­ держивая на соответствующем уровне активность катализатора.

Интенсификации химического процесса способствует использо­ вание рециркуляции, т.е. возврата части потока обратно в процесс, так как при этом более полно используются исходные продукты и энергия, улучшаются условия его проведения.

Введение рециркуляции в технологическую схему позволяет решить ряд важных технологических задач:

*наиболее полное использование исходных компонентов (для реакторов с неполным превращением);

*исключение вредных выбросов в окружающую среду;

*рекуперация энергии системы (например, используется теплота реакции для подогрева исходных реагентов);

*создание оптимальных технологических режимов (интенси­ фицируются начальные стадии автокаталитических реак­ ций, создается избыток одного из реагентов для сдвига рав­ новесия химической реакции в направлении образования целевого продукта; подавляются побочные и интенсифици­ руются основные химические реакции; создается оптималь­ ный температурный режим);

*наиболее полное использование катализаторов и инертных растворителей, в присутствии которых протекает химиче­ ское превращение.

Следует отметить, что с помощью рециркуляции можно повы­ сить абсолютный выход любого продукта сложной химической ре­ акции. Особенно важно то, что этого не может дать ни один из та­ ких традиционных способов управления химической реакцией, как изменение давления, температуры и других параметров, так как они в той или иной степени действуют на все реакции, а рецирку­ ляция, изменяя скорость и состав потока, позволяет направить ре­ акцию в желаемую сторону в максимально возможной степени. Таким образом, введение рециркуляции может быть использовано как для интенсификации технологического режима внутри реакто­ ра, так и для создания схем с наиболее полным использованием сырья и энергии.

Примером химического процесса, используемого при перера­ ботке отходов, является очистка сточных вод с помощью химиче­ ских реагентов. Метод химического осветления сточных вод осно­ ван на том, что при добавлении к ним неорганических и (или) ор­ ганических коагулянтов (флокулянтов) при соответствующем pH среды происходит интенсивное хлопьеобразование, сопровождаемое удалением из сточных вод фосфора в виде нерастворимых солей - фосфатов и тяжелых металлов (нерастворимые гидроксиды). При­ сутствующие во взвешенном и коллоидном состоянии загрязнения адсорбируются на образующихся хлопьях и также удаляются.

Эффективность химической очистки воды зависит от многих факторов: соотношения концентраций коагулянта, флокулянта и загрязнений; интенсивности и продолжительности перемешивания обрабатываемых сточных вод при контакте их с химикалиями; pH среды и температуры; содержания солей; величины и знака заряда частиц и др. Обычно химическую обработку сточных вод проводят в реакторах-смесителях. В условиях интенсивного перемешивания химикалии контактируют со сточными водами при оптимальной величине pH, которую устанавливают в ходе предварительных ла­ бораторных или пилотных испытаний.

Другим примером является весьма распространенный метод дезинфекции сточных вод - хлорирование, главными недостатками которого являются токсичность сбрасываемых сточных вод из-за повышенного в ряде случаев остаточного содержания в них хлора, а также высокие энергетические затраты на его производство.

Более перспективный метод обеззараживания сточных вод - озонирование также относится к химическим процессам. Этот ме­ тод используется не только для дезинфекции сточных вод, но и для окисления содержащихся в них загрязнений. По сравнению с хлорной известью, гипохлоритом и жидким хлором озон обладает тем преимуществом, что в большинстве случаев не ухудшает ион­ ного состава сточных вод, которые могут быть использованы при оборотном водоснабжении. Озонирование - еще более дорогой ме­ тод обработки, чем хлорирование, однако более высокие гигиени­ ческие свойства воды, обеспечиваемые этим методом и требуемые современными стандартами, способствуют дальнейшему расшире­ нию его применения.

К химическим процессам относятся и некоторые способы реге­ нерации отработанных моторных масел, переработки отходов пла­ стмасс и резины и многие другие.

Сжигание отходов - это также разновидность химических ме­ тодов переработки отходов, поскольку оно является окислительно­ восстановительным процессом. Сжигание является одним из наибо­ лее распространенных и эффективных методов переработки отхо­ дов. Оно сопровождается образованием диоксида углерода, воды и золы, а также токсичных веществ - диоксинов, оксидов серы, азо­ та, тяжелых металлов и др. Поскольку газообразные продукты процесса сжигания отходов содержат вредные примеси, то для сни­ жения их выбросов в атмосферу до требуемых стандартами норм проводят их химическую и физическую обработку, включающую дожигание, нейтрализацию, промывку и фильтрацию.

Часто при переработке органических отходов используют хи­ мические превращения, которые происходят под воздействием вы­ соких температур, но в отсутствие химических реагентов, в том числе кислорода воздуха. Такой процесс называется пиролизом и заключается не только в распаде исходного материала, но и в про­ текании вторичных химических процессов полимеризации, изоме­

ризации и других с образованием ценных газообразных, жидких и твердых продуктов.

Любой химический процесс протекает в реакторе, конструкция которого должна позволять создавать необходимые условия для оп­ тимального его проведения. Большое количество воздействующих на процесс факторов, различные пределы их изменения, приводит к тому, что ассортимент реакторов, используемых в промышленно­ сти, в в том числе и при переработке отходов, достаточно велик. Химические процессы могут проводиться в реакторах непрерывно­

типа. Биохимический процесс окисления кислородом органических веществ осуществляется сообществом микроорганизмов (биоцено­ зом), включающим множество различных бактерий, связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).

Важнейшая роль в этом процессе принадлежит бактериям, спо­ собным образовывать активный ил, который состоит из большого числа бактерий. В процессе биохимических реакций происходит трансформация органических веществ.

Направление и скорость трансформации зависят от температу­ ры, поверхностей раздела, биологических и химических катализа­ торов и ингибиторов, pH среды и ее газового состава, состояния микробиологического сообщества и др. Трансформирующиеся орга­ нические вещества могут находиться в виде истинно растворенных частиц (молекул, ионов, свободных радикалов) или в виде колло­ идных и взвешенных частиц. Количество промежуточных продук­ тов и число элементарных стадий трансформации каждого из ве­ ществ исчисляется десятками и сотнями.

Условно процесс трансформации органических составляющих можно разделить на три стадии. На первой стадии происходит массопередача вещества к поверхности клетки; на второй - диффузия вещества через полунепроницаемые мембраны клетки и на третьей стадии осуществляется метаболизм диффундированных продуктов с выделением энергии и синтезом нового вещества. Основную роль играют собственно биохимические процессы, протекающие внутри клеток микроорганизмов, но немаловажное значение имеют и про­ цессы массопереноса (сорбции и диффузии).

Процессы биохимической очистки протекают с большой скоро­ стью, являющейся следствием способности микроорганизмов к быс­ трому размножению в присутствии органических веществ.

Большую роль в протекании биохимических процессов играет кислород воздуха, который в зависимости от вида бактерий может либо способствовать разрушению отходов, либо препятствовать ему (аэробные и анаэробные процессы).

На протекание биохимических процессов влияют также неко­ торые вещества, содержащиеся в очищаемой среде. Так, при очи­ стке сточных вод биохимическими методами предельно допустимое содержание ряда металлов в воде чрезвычайно мало, в частности, со­

динений являются ядами для бактерий.

Биохимические методы находят применение в ряде рекуперационных процессов, в частности для очистки сточных вод, очистки почвы от нефти и в других случаях.

соб, получили название окситенков. Применение кислорода обеспечивает: экономию электроэнергии;

повышение скорости насыщения сточных вод кислородом до бо­ лее высоких концентраций (около 10 мг/л) даже при атмосферном давлении;

гибкость и устойчивость работы установок при изменении на­ грузки;

увеличение (примерно на 30%) скорости отстаивания сточных вод после биологической очистки.

Конструктивно окситенки могут быть открытыми или закрыты­ ми. Закрытые окситенки выполняются в виде одрой или несколь­ ких (до четырех) последовательно соединенных по газовой и жид­ кой фазам герметизированных камер. В первую камеру вводится сточная вода и технический кислород, обеспечивающий небольшое избыточное давление в газовой фазе. По мере прохождения через камеры вода очищается, а концентрация кислорода в газовой фазе снижается. Из последней камеры газ выходит в атмосферу, а очи­ щенная вода поступает во второй отстойник. Рециркуляционный поток активного ила из второго отстойника возвращается в первую камеру, а избыточный активный ил выводится из системы.

Использование окситенков позволяет сократить площади, отво­ димые под очистные сооружения. Производительность действую­ щих очистных сооружений при переоборудовании аэротенков в ок­ ситенки может быть увеличена без расширения территории очист­ ных сооружений.

Другим примером использования биохимических процессов при переработке отходов являются способы очистки земной и водной поверхностей от нефтяных загрязнений. Участвующие в процессе биохимической обработки поверхности бактерии превращают раз­ литую на ней нефть в безвредные продукты своей жизнедеятельно­

сти. Широко используются биохимические процессы при перера­ ботке твердых отходов органического происхождения.

Так, при биотермическом компостировании органические отхо­ ды в горизонтальных вращающихся барабанах подвергаются воз­ действию аэробных бактерий, выделяющих в результате своей жизнедеятельности тепло, которое необходимо для повышения их биологической активности. Ускорению протекания процесса спо­ собствуют (помимо поддержания температуры в заданном интерва­ ле) измельчение отходов с целью увеличения поверхности контак­ та, аэрация перерабатываемых отходов, создание необходимой влажности, перемешивание отходов.

Наряду с биохимической переработкой в условиях промышлен­ ных предприятий - мусороперерабатывающих заводов - широко используется и полевое компостирование твердых бытовых отхо­ дов. При биохимической переработке органических отходов наряду с их разложением происходит синтез новых органических веществ. Образующийся продукт - компост - используется в сельском хо­ зяйстве.

Органические отходы, в частности отходы пластмасс, лесопере­ рабатывающей, пищевой и других отраслей промышленности, сельского хозяйства, а также бытовые отходы, можно использовать для получения энергии, разлагая их с помощью микроорганизмов до сбраживаемых соединений.

Объемы образования таких отходов велики, из чего следует перспективность данной технологии. К таким отходам относятся опилки, древесная стружка, зелень, шелуха и солома злаковых растений, отходы корнеплодов и фруктов, молочная сыворотка и многие другие продукты.

Например, при микробном разложении и последующих превра­ щениях древесных и других содержащих углеводы отходов получа­ ют этиловый спирт, являющийся ценным сырьем для химической промышленности.

Одной из реальных биотехнологий является получение из влажных органических отходов биогаза, представляющего собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и других га­ зов. 1 м3 биогаза по теплоте сгорания эквивалентен 0,6 м3^природ­ ного газа, 0,74 м3 нефти или 0,65 м3 дизельного топлива. Биогаз горит, образуя пламя синего цвета, не имеет запаха, а при сгора­ нии не выделяет дыма.

Образование биогаза в значительных количествах происходит на полигонах твердых бытовых отходов в теле захоронения при воздействии бактерий в результате анаэробного разложения орга­ нических продуктов. На ряде полигонов этот газ собирается и по системе трубопроводов, специально уложенных в теле захоронения

при формировании полигона, подается на реализацию с целью получения тепловой и электрической энергии. Сбор и утилизация биогаза не только способствуют рациональному использованию ре­ сурсов, но и позволяют избежать загрязнения атмосферного возду­ ха в районе расположения полигона.

Анаэробная технология совместной переработки твердых быто­ вых отходов и илистого осадка сточных вод позволяет сократить объем отходов на 3 0 - 40%. Для этого отходы смешивают с актив­ ным илом в соотношении 3,5 : 1 (по объему) и полученную смесь размещают на площадке с водонепроницаемым основанием из гли­ ны, уплотняют и герметично изолируют от окружающей воздуш­ ной среды, т.е. процесс протекает в анаэробных условиях. Влаж­ ность среды должна составлять 70 - 75%. Смешивание твердых бытовых отходов с активным илом увеличивает выход метана, со­ кращает продолжительность разложения отходов в 4 - 5 раз и - самое главное - снижает период стабилизации полигонов отходов со 100 до 10 - 15 лет.

В процессе биометаногенеза органических отходов участвуют три группы бактерий, последовательно воздействующих на них и на продукты их брожения. С биохимической точки зрения при превращении органических отходов в метан электроны органиче­ ских молекул переносятся на углекислый газ, который восстанав­ ливается до метана. Донорами электронов являются уксусная кис­ лота и водород, вырабатываемые бактериями.

С точки зрения эколога метаногенез - важный процесс в угле­ родном цикле биосферы, так как позволяет самой природе ликви­ дировать органические отходы.

Биотехнология может быть использована не только для полного разложения каких-либо отходов, но и для превращения токсичных продуктов с помощью бактерий в вещества, не представляющие опасности для окружающей среды.

Глава 7. ТЕРМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

Одними из наиболее широко распространенных способов воз­ действия на отходы являются термические, при использовании ко­ торых в зависимости от условий проведения процесса происходят окисление, разложение и восстановление химических соединений, составляющих отходы, причем зачастую все эти процессы проис­ ходят одновременно. Главной целью такой обработки является обезвреживание отходов и уменьшение их объемов, но наряду с этим рад способов термического воздействия позволяет получать из отходов ценные товарные продукты.

К термическим методам относят жидкофазное окисление, гете­ рогенный катализ, газификацию и пиролиз отходов, плазменный и огневой методы.

7.1. Беспламенные термические способы утилизации отходов

Метод жидкофазного окисления (’’мокрое” сжигание) исполь­ зуют для обезвреживания жидких отходов и осадков сточных вод. Суть метода состоит в окислении кислородом воздуха органиче­ ских и элементоорганических примесей сточной воды при темпера­ туре 150 - 350 °С и давлении 2 - 2 8 МПа.

Эффективность метода оценивается полнотой окисления орга­ нической части осадка, которая зависит в основном от температу­ ры обработки. Окисление осадка сопровождается выделением теп­ ла. При влажности около 96% этого тепла достаточно для поддер­ жания температурного режима, а энергия затрачивается в основном на подачу сжатого воздуха. Интенсивное окисление орга­ нического вещества осадка кислородом воздуха происходит в тече­ ние 30 - 40 мин.

Технологическая схема процесса жидкофазного окисления представлена на рис. 7.1. Смесь осадка первичных отстойников и избыточного активного ила поступает по трубе 1 в приемный ре­ зервуар 2, где предварительно нагревается до 40 - 50 °С. Нагретый осадок питательным насосом 3 подается в насос высокого давления 4, который перекачивает его через последовательно установленные теплообменники 5 и 6 в реактор 7. В напорный трубопровод насоса подается сжатый воздух от компрессора 10. На входе в реактор температура паровоздушной смеси составляет около 240 °С.

Рис. 7.1. Технологическая схема процесса жидкофазного окисления:

1 - подача исходного осадка; 2 - приемный резервуар; 3 - питатель­ ный насос; 4 - насос высокого давления; 5, 6 - теплообменники; 7 - реактор; 8 - сепаратор; 9 - турбина; 10 - компрессор

Для окисления на 50% необходима температура около 200 °С, на 70% и более - 250 - 300 °С. Две трети действующих установок работают при температуре 300 °С и давлении 21 МПа, одна треть - при 100 - 200 °С и давлении 1,8 - 2,4 МПа.

Основное преимущество метода жидкофазного окисления состо­ ит в небольших затратах энергии на процесс, так как сточная вода подвергается лишь незначительному испарению. Однако у этого способа есть и серьезные недостатки: высокая стоимость и сильная коррозия оборудования, образование накипи на поверхности тепло­ обменников, неполное окисление отходов и др. Из-за этих недо­ статков способ жидкофазного окисления применяется весьма огра­ ниченно.

Метод гетерогенного катализа применяют для обезврежива­ ния газообразных и жидких отходов с низкой концентрацией горю­ чих примесей, когда применение других методов связано с боль­ шим расходом топлива. Процесс окисления на катализаторах осу­ ществляют при температуре 200 - 300 °С, что значительно ниже температуры сжигания в печах (950 - 1100 °С). Наиболее эффек­ тивными катализаторами являются металлы платиновой группы, менее эффективны катализаторы, изготовленные из оксидов ме­ таллов (алюминия, меди, хрома, кобальта, марганца и др.). Ис­ пользование платины, родия и других металлов платиновой груп­ пы позволяет снизить температуру начала процесса окисления. Термокаталитические реакторы применяют для окисления оксида углерода, водорода, углеводородов, аммиака, фенолов, альдегидов, кетонов и других соединений. При этих реакциях образуются угле­ кислый газ, азот и вода. Степень окисления достигает 99,9 %. Для увеличения удельной поверхности катализаторов применяют кера­