Металлургические методы переработки промышленных и бытовых отходов. Часть 1. Образование и проблемы переработки твердых бытовых отходов. Учебное пособ

Более широко в зарубежной практике применяют сплав ТБО в ка- нализационную систему города. Ряд фирм, например «Хейг» (Анг- лия), «Сант Андреа Новара» (Италия), и др., выпускают «кухонные» дробилки различной производительности, пригодные для одной се- мьи, многоквартирного дома или крупного учреждения.

Наиболее часто в зарубежной практике применяют сплав ТБО в гостиницах, школах, ресторанах и особенно в больницах. В США большое распространение получили «кухонные» дробилки для одной семьи. В условиях надежно действующей системы канализации это эффективный способ удаления быстрогниющих бытовых отходов. При использовании квартирных «кухонных» мусородробилок отхо- ды удаляются сразу же, немедленно после образования. Исключается необходимость их сбора и хранения. Особенно эффективен этот спо- соб в лечебных учреждениях, где в этом случае применяют судна одноразового пользования, что упрощает работу санитарок. Ана- эробное сбраживание даёт высокий санитарный эффект, позволяет полностью механизировать процесс совместного обезвреживания канализационного осадка и бытовых отходов.

Наряду с указанными преимуществами система дробления и сплава ТБО в канализацию обладает и рядом недостатков. В дробил- ки направляют только органическую часть ТБО. Традиционный сбор и вывоз ТБО не исключается, хотя и упрощается из-за отсутствия быстрогниющих фракций, увеличивается объём очистных сооруже- ний. Возрастает также потребность в воде для сплава ТБО и в элек- троэнергии для их дробления. Условия гидротранспортировки ТБО выдвигают жёсткие требования к величине максимальных фракций дробленого материала: их размер не должен превышать 7…10 мм. Попадание стекла и металла нежелательно. Расход электроэнергии составляет 15…20 кВт·ч/т ТБО; расход воды – 7…8 л/кг ТБО.

3.5. Переработка ТБО с извлечением вторичных ресурсов

3.5.1. Переработка бумажных отходов

Использование извлекаемых из ТБО вторичных ресурсов вместо природного сырья, как правило, дает значительный экологический эффект. Особенно это заметно на примере производства бумаги или картона из макулатуры. При этом по сравнению с производством бу- маги из первичного сырья (деловой древесины) выбросы в атмосферу снижаются на 85 %, а загрязнение воды – до 40 %. Утилизация отхо- дов позволяет бережно расходовать природные ресурсы: тонна маку- латуры экономит 4 м3 древесины.

51

Затраты на постройку фабрики по переработке бумаги составляют 50…80 % от затрат на оборудование обычной бумажной фабрики. Только в США около 200 фабрик работает на таком сырье. С повы- шением уровня грамотности увеличивается рынок потребления бу- маги, в том числе в бедных сырьем странах, что создает новые рынки сбыта для стран, имеющих богатую сырьевую базу для производства бумаги. В Индии отечественная бумажная промышленность защища- ется высокими пошлинами на импортируемую древесину и бумагу: при этом почти никаких пошлин не взимается с импортируемых бу- мажных отходов, но практически все фабрики Индии способны их перерабатывать. Финские бумагопроизводители тоже импортируют большое количество бумажных отходов. С другой стороны, бумаж- ные отходы составляют четвертую часть массы всех грузов, отгру- жаемых из Нью-йоркского порта.

В 2000 г. переработка бумажных отходов в 11 крупнейших стра- нах – производителях бумажных изделий позволила сохранить около 900 тыс. га лесных массивов, одновременно сократив количество по- требляемой энергии и воды и заметно снизив уровень выбросов в водный и воздушный бассейны.

Проблема сбора макулатуры в мире решается по-разному. Так, по всей Британии установлены ящики, в которые англичане бросают прочитанные газеты. Собранная таким образом бумага отправляется в переработку на фабрики для изготовления новой газетной бумаги.

Разветвленная система сбора макулатуры создана в Швеции, при- чем не только в крупных городах, а даже в малонаселенных районах Крайнего Севера. В результате во вторичную переработку попадает почти 80 % потребляемой в стране бумажной продукции.

Ассоциация лесной промышленности Швеции полагает, что к 2010 г. сбор бумажного вторсырья в стране увеличится до 2,5 млн т в год.

Использование макулатуры для производства новой бумаги и бу- мажных изделий зависит не только от эффективности системы сбора, но и от способности комбинатов потреблять это сырье. Необходимы установки для приведения макулатуры в нужное состояние.

В Канаде (провинция Британская Колумбия) рециклинг бумажной продукции осуществляют небольшие компании, например частное предприятие (г. Ванкувер) по утилизации цветной бумаги путем ее обесцвечивания от чернил и полиграфической краски, в том числе цветной. Применяемая на заводе технология позволяет перерабаты- вать 550…600 т отходов в день, в том числе старые газеты, журналы, телефонные справочники, и получать 130 тыс. т в год высококачест-

52

венной пульпы или 350…535 т в день сухой продукции, из которой производят бумагу, близкую по качеству к исходной.

Технологическая схема включает несколько стадий, в том числе стадию приготовления пульпы. Ванна для приготовления пульпы рассчитана на 9500 кг, в том числе 90 % газет и 10 % – журналов. Состав химических веществ, вводимых при обесцвечивании бумаги в емкость с пульпой: пероксид водорода; хлорная известь для прида- ния блеска пульпе; каустическая сода для увеличения рН до 10 и обеспечения лучшего набухания волокон; жирные кислоты; мыло для удаления чернил из волокон; силикат натрия для поддержания постоянной концентрации ионов водорода; поверхностно-активные реагенты для диспергирования чернил; диэтилентриаминпентауксус- ная кислота, чтобы хелатировать тяжелые металлы для их удаления. Пульпа имеет плотность 13,5 % по сухому веществу, которой доста- точно для удаления частиц красителя с поверхности волокон и их обесцвечивания. На следующих стадиях из пульпированного мате- риала удаляются различные грубые и мелкие примеси (древесные, металлические, камни, стекло и др.) с помощью решетчатых сит. Выделение красителей проводится методом флотации в специальных ячейках с использованием воздушного возбуждения. Частицы краси- теля сосредотачиваются на поверхности воды, а и затем оседают на фильтрах. Основной материал обезвоживается и уплотняется. Полу- ченные листы бумажной массы режутся, прессуются в брикеты оп- ределенных размеров, которые взвешиваются, маркируются и от- правляются потребителю.

Производство практически безотходное: твердые отходы произ- водства используются как подстилки для животных, в качестве дре- нажа. На свалку отправляется не более 6 т в день (~ 1 % поступаю- щего материала).

ВРоссии из макулатуры в основном делают картон. Газетную бу- магу из нее не производят, так как для этого нужна предварительно «облагороженная» макулатура: сначала необходимо удалить краску, очистить массу, затем отбелить ее. Оборудование же для удаления краски (так называемые «флотаторы») в России не выпускается. Кроме того, производить газетную бумагу непосредственно из дре- весной массы намного дешевле, чем из макулатурной.

В1996 г. на московском предприятии «Промотходы» смонтиро- вана установка по переработке макулатуры в теплоизоляционный материал. В Европе уже давно научились использовать переработан- ную макулатуру для утепления стен и оконных проемов.

53

Американская фирма «Chesapeake» разработала новый метод пе- реработки бумажного утиля (старых газет и журналов), основанный на использовании пара. В результате обработки паром материалы краски уменьшаются до частиц диаметром менее 75 мкм, которые глаз не способен различать.

Железнодорожные компании и владельцы метрополитена в Япо- нии перерабатывают в туалетную бумагу и картонные коробки про- ездные билеты. Раньше это было невозможно из-за магнитного по- крытия на них, но недавно разработана технология, способствующая удалению магнитного слоя.

Известно, что бумага бывает разного качества – в зависимости от состава волокон и цвета. После многих циклов переработки волокна изнашиваются и из них нельзя получить бумагу высокого качества, но они по-прежнему остаются ценным сырьем для бумажной про- мышленности.

3.5.2. Утилизация консервных банок

По данным Японской федерации чугуна и стали, в 2000 г. степень утилизации стальных консервных банок составила в странах ЕС 49 %, а в Японии – 84 %. По оценке японских специалистов, при пе- реплавке 1 млн т стального лома, полученного от переработки кон- сервных банок, достигается экономия 1,5…1,7 млн т железной руды, 0,8…1 млн т угля и 200…300 тыс. т известняка.

Впервые появившаяся в 1983 г., к настоящему времени 355- миллиметровая банка превратилась в крупнейшего потребителя алю- миния, поглощающего 22 % всего импорта алюминия США. В 1963 г. в США использовалось 11,5 млрд металлических банок, их них 11,4 млрд были стальными. К 1985 г. выпускалось более 70 млрд банок для газированных напитков и уже 66 % были алюминиевыми.

По данным Ассоциации продуцентов алюминия США, Института продуцентов консервных банок и Института утилизации металлоло- ма, уровень утилизации алюминиевых консервных банок в США в 2000 г. составил 55,4 % против 62,1 % в 1999 г. Снижение данного показателя произошло в связи с сокращением производства данных консервных банок в стране на 9,5 % – до 100,3 млрд шт. и их сбора – на 11 % – до 55,6 млрд шт.

В то же время в Бразилии степень утилизации алюминиевых ба- нок в 2001 г. составила 85 % их общего производства – 10,3 млрд шт., что на 16,3 % больше, чем в 2000 г.

54

3.5.3. Стеклобой

Повторное использование боя стекла при производстве стеклота- ры обходится значительно дешевле, чем производство новой. Еще до энергетического кризиса 1973 г. 15…20 % мощностей на стекольных заводах работали на переработку стекольного боя. Сегодня, исполь- зуя новые технологии (особенно в развивающихся странах), многие стекольные заводы работают только на вторсырье. Каждая перерабо- танная тонна стеклянного боя сберегает 1,2 т первичного сырья и до 5 % энергии. Недавнее ужесточение норм выбросов в Японии, Шве- ции, США и Западной Германии привело к большому спросу на стеклянный бой у стеклопроизводителей из-за того, что его исполь- зование в производстве стекла снижает уровень выбросов. Лидером в переработке стеклобоя в настоящее время является США, где утили- зируется 98 % всего производимого стекла.

3.5.4. Автомобильные покрышки

Скапливающиеся в каждой стране огромные количества изношен- ных автопокрышек превращаются в проблему мирового значения, по- скольку природа не в состоянии самостоятельно разрушать каучук.

Ежегодный объем изношенных автопокрышек составляет: в США – 250 млн шт., в Германии – 100 млн шт., в России – 50 млн шт. и т.д. При условной усредненной массе одной автопо- крышки 50 кг суммарная масса покрышек, пришедших в негодность, в различных развитых странах составляет от 2,5 до 12 млн т в год. Основная часть изношенных автопокрышек свозится на свалки, сбрасывается в водоемы или просто выбрасывается вдоль дорог. Не- значительная часть закапывается в землю, однако несовершенство методов захоронения приводит к пожарам, в том числе подземным, ухудшению окружающей экологической обстановки.

Впоследние десятилетия предложены способы переработки авто- покрышек до мелкодисперсного состояния (в резиновую крупу диа- метром от 0,63 до 5 мм). Из резиновой крошки можно производить различные изделия, например гидротермоизоляционные блоки.

ВРоссии запатентован метод терморастворения резиносодержа- щих веществ, который позволяет использовать залежи старых по- крышек. Куски покрышек закладывают в реактор и заливают хими- ческим раствором. Через два часа в реакторе образуется темная мас- лянистая жидкость с характерным запахом нефти, которую можно перегонять в бензин. Из тонны резины получается примерно 600 кг

55

«нефти», 300 кг сажи и 100 кг попутного газа. Сажа может использо- ваться в качестве наполнителя производства пластмасс, газ – как то- пливо, а из нефти можно выработать примерно 200 л бензина, 200 л солярки и 200 л мазута.

Старые шины могут служить исходным сырьем для производства резиновой крошки и регенерата пластичного материала, частично заменяющего каучук в различных резиновых изделиях, в том числе и в новых шинах.

Из известных методов утилизации шин в настоящее время акту- альны следующие: дробление шин на частицы размером несколько миллиметров для использования в качестве добавок в дорожные по- крытия, что улучшает их морозостойкость и повышает безопасность движения из-за увеличения сцепления с колесами автомобиля, при этом на измельчение одной тонны шин расходуется 800…1500 кВт·ч электроэнергии, т.е. этот процесс является достаточно энергоемким, и термическое разложение (пиролиз).

Образующаяся при пиролизе жидкая фракция может использо- ваться как добавка в резины или пластмассы, а твердая фракция – переработана в активированный уголь с высокой адсорбционной способностью. Этот способ утилизации шин представляется чрезвы- чайно привлекательным, так как позволяет получать полезные дефи- цитные продукты, однако его экономическая эффективность и эколо- гическая безопасность должны быть подтверждены опытно- промышленными испытаниями. Возможно также использование шин в качестве топлива для получения тепла и электроэнергии.

Широко практикуемая ранее переработка шин в регенерат в на- стоящее время признана экономически нецелесообразной, и произ- водство регенерата в большинстве стран мира приостановлено. Не- которые надежды на его возрождение дают появившиеся сообщения о возможности разрушения сетки вулканизационных серных связей в резине микробиологическим методом с использованием бактерий

Sulfolobus и др.

Получение энергии за счет сжигания отходов, в том числе и по- лимерных, привлекает все большее внимание из-за непрерывного роста цен на невозобновляемое органическое топливо. Чтобы избе- жать затрат на измельчение при сжигании изношенных шин, предла- гают проводить их предварительную газификацию. С этой целью фирма Termex Technologies (Канада) разработала установку для га- зификации шин, состоящую из двух независимых газификаторов на 400–550 покрышек каждый. Для активизации процесса используются небольшие горелки, работающие 10–15 мин до начала автогорения,

56

процесс продолжается 6–8 ч. Из 4,5 т покрышек получают 2,8 т газо- образного и жидкого топлива с теплотой сгорания, близкой к теплоте сгорания мазута. Установка способна перерабатывать до 500 тыс. покрышек в год.

По зарубежным данным, использование изношенных автошин для получения тепла и электроэнергии является одним из наиболее быст- ро развивающихся рынков в промышленности переработки отходов. При сжигании шин как отдельно, так и в смеси с углем обеспечива- ется необходимая теплопроизводительность котлоагрегатов и сокра- щается общий расход топлива. Предпочтительнее совместное сжига- ние, так как экологические показатели при этом лучше, чем при сжи- гании одних шин. Доля резины в топливе не должна превышать 20 % при равномерном распределении смеси по площади колосниковой решетки и интенсивной подаче воздуха. Размер кусков шин не дол- жен быть более 50 мм.

Тепловая электростанция в г. Вулвергемптоне (Великобритания) впервые в мире работает не на природном газе или мазуте, а на от- служивших автомобильных покрышках. Реализовать этот уникаль- ный проект, позволивший обеспечить электроэнергией 25 тыс. жи- лых домов, помогло Британское управление по утилизации неиско- паемого топлива.

После трехлетней полемики французское правительство подписало декрет об уничтожении использованных автомобильных шин. Он оп- ределяет технические и финансовые аспекты сбора и переработки шин, возлагая ответственность за это на продуцентов и импортеров шин.

Дистрибьюторы шин, включая гаражи и техцентры, должны будут бесплатно принимать использованные шины у потребителей. Пола- гают, что в этом случае у последних пропадет желание бросать шины где попало. Упомянутые дистрибьюторы, число которых составляет примерно 42 тыс., должны будут хранить собранные шины и переда- вать их затем в распоряжение продуцентов.

Таким образом, система, в соответствии с которой продуцент фи- нансирует сбор и переработку шин, заменит действовавший до сих пор механизм, основанный на финансировании данных операций по- следними держателями шин и приведший к накоплению крупных свалок резины.

Стоимость переработки одной шины составляет от 0,6 до 1,5 евро

взависимости от района и целей утилизации. Ежегодно во Франции

вотходы поступает 60 млн шин общей массой 360 тыс. т, из которых лишь 85 тыс. т восстанаваются или экспортируются. Долгое время

57

старые шины использовались в качестве топлива на цементных заво- дах, так как сжигание тонны шин эквивалентно использованию тон- ны угля. Но этот метод не выдержал конкуренции с мясокостной му- кой, ликвидацию и переработку которой начало субсидировать пра- вительство, что привело к накоплению шин на муниципальных свал- ках шин. Задачей промышленных компаний станет изыскание новых путей утилизации шин и их финансирование.

Что касается названных свалок, то декрет обязывает ликвидиро- вать их в течение 5 лет. Ассоциация «экомэров» провела опрос 600 своих членов, который показал, что 20 % муниципалитетов имеют крупные запасы использованных шин. До настоящего времени лишь 50 % поступало на организованные свалки.

3.5.5.Строительные отходы

Врезультате реконструкции зданий и сооружений, сноса строе- ний и их разборки образуется большое количество отходов – потен- циального сырья для строительной и других отраслей промышленно- сти. Зачастую такие отходы вывозят на городские свалки ТБО, в том числе и несанкционированные. Например, в Москве в 1995 г. было выявлено 63 свалки общей площадью 137 га, основным компонентом которых являлся строительный мусор.

Между тем переработка (сортировка, измельчение элементов кон- струкций зданий и отходов собственно строительного производства) позволяет получать вторичный щебень, песчано-гравийную смесь, металлолом и др. Щебень можно использовать в дорожном строи- тельстве для получения низкопрочных бетонных и железобетонных конструкций, в производстве монолитных изделий. Его цена значи- тельно ниже цены природного щебня.

3.5.6.Пищевые отходы и производство

перегноя

В среднем в мире примерно пятую часть всех ТБО составляют ор- ганические отходы домашних хозяйств. Осенью, когда опадают ли- стья, количество таких отходов в развитых странах удваивается. В развивающихся же странах пищевые отходы домашних хозяйств и рынков независимо от сезона составляют 60…80 % всех городских отходов. Эти отходы содержат большое количество воды, что за- трудняет их транспортировку и сжигание.

58

В последние десятилетия органические отходы все чаще исполь- зуют для получения ценных органических удобрений. Но для такого применения органических отходов их необходимо отделять от неор- ганических. Удаление неорганики на ранних стадиях переработки органических отходов позволяет улучшить качество удобрений и, следовательно, повысить их рыночную стоимость, уменьшить износ оборудования и понизить производственные затраты. Органические отходы измельчают, потом помещают в специальные цистерны или иные емкости, куда специальными насосами и вентиляторами пода- ется воздух. После дополнительной обработки и отфильтровки пере- гной можно использовать в качестве удобрения.

Технология производства перегноя наиболее распространена в Европе. Франция имеет около 100 фабрик по производству перегноя производительностью около 800 тыс. т в год. Как сообщили владель- цы 60 % виноградников на юге Франции, использующие перегной, урожайность при его использовании повышается на 13…14 %. На севере Франции, в Нормандии, перегной применяется на артишоковых плантациях. Австрия, Италия, Голландия и Германия также имеют обширные программы в этом направлении, в Швеции же четвертая часть всех твердых отходов используется для производства перегноя.

Перегной способствует улучшению подачи влаги к земле, что особенно ценно для районов с аридным климатом. Страны, располо- женные на сухом Аравийском полуострове, используют бόльшую часть своих органических отходов для получения перегноя. Тем не менее спрос на такие отходы сильно опережает предложение. В связи с тем, что многие из этих стран пытаются обеспечить население про- дуктами собственного сельского хозяйства, им приходится покупать перегной в Европе.

3.6. Термические методы переработки ТБО

Термические методы переработки ТБО, как правило, подразделя- ют на твердофазные и жидкофазные.

Твердофазные способы подразумевают сжигание ТБО при темпе- ратурах от 700 до 1000 ºС (металл, стекло, бетон при этих температу- рах не расплавляются, т.е. отходы остаются в твердой фазе). Они применяется на заводах, где используются печи с колосниковыми решётками и топки кипящего слоя (КС).

Жидкофазная обработка производится при температурах 13001500 ºС (т.е. практически всё расплавляется). Происходит остеклова-

59

ние остатка, т.к. расплавившийся металл опускается на дно ванны, а оставшийся на поверхности расплава шлак связывает всё, что не сго- рело и не расплавилось. Остеклование даёт нерастворимый в воде и под кислыми дождями остаток и связывает токсиканты в трудновс- крываемые комплексы. Метод остеклования применяется в послед- ние годы для обезвреживания особо опасных отходов, в том числе ра- дионуклидов. При этом считается экономически оправданным приме- нение дорогих энергоносителей, например – плазменного нагрева.

3.6.1. Твердофазное сжигание ТБО

Твердофазное сжигание ТБО получило широкое распростране- ние в 1970-х гг., когда вокруг крупных мегаполисов практически не осталось территорий для складирования. В это время стали стро- иться мусоросжигательные заводы (МСЗ), опасное влияние кото- рых на окружающую среду и здоровье людей было установлено лишь в середине 1980-х гг.

Сжигание на колосниковых решетках

Заводы, использующие колосниковые решетки, отличаются боль- шим разнообразием конструкций термоагрегатов и трактов подачи ТБО на сжигание и удаление продуктов термообработки. В общем случае процесс можно описать следующим образом: из бункера- накопителя отходы подают в загрузочные воронки, а затем в топки котлоагрегатов, где они сжигаются на специальной решетке при тем- пературе 700…1000 °С с использованием или без использования до- полнительного топлива, в качестве которого чаще всего применяется природный газ.

Колосниковая решетка состоит из вращающихся валков либо пе- реталкивающих пластин. По действию выделяют обратно переталки- вающие и прямо переталкивающие решетки, причем последние обычно располагаются наклонно и называются наклонно- переталкивающими решетками. Крайне нежелательным является просыпание через отверстия решеток мелких фракций сгорающих отходов. Просыпавшиеся вторичные отходы (шлак) отличаются вы- сокой токсичностью.

Образующиеся при сжигании зола и шлак составляют около 25 % от массы первоначально сжигаемых отходов, они транспортируются в специальное помещение. Магнитный сепаратор, установленный на транспортере, извлекает черный металлолом, который пакетируется

60