Лекция 6 системы предупреждения загрязнения мирового океана мусором. Судовые инсинератори

План лекции

1. Классификация методов нейтрализации и утилизации твердых отходов

2. Санитарные, экономические, экологические аспекты термического обезвреживания твердых отходов

3. Утилизация твердых бытовых отходов

4. Утилизация твердых промышленных отходов

5. Судовые инсинераторы

Рекомендуемая литература: 1, 2, 3, 8, 12, 23,24

1. Классификация методов нейтрализации и утилизации твердых отходов

Твёрдые отходы подразделяются на две группы:

• твердые промышленные отходы (ТПО);

• твердые бытовые отходы (ТБО).

ТПО образуются при добыче минерального сырья, его обработке, использовании и транспортировке.

ТБО образуются в результате жизнедеятельности человека.

Промышленные и бытовые отходы имеют широкий спектр загрязняющих веществ, поступающих в воздушный бассейн, гидросферу, донные отложения и почву.

В промышленно-развитых странах управлению ТПО уделяется значительное внимание. Так, усилия Европейского экономического Союза направлены, прежде всего, на предупреждение образования отходов, а затем – на их вторичную переработку или нейтрализацию. В Швейцарии захоронение на организованных полигонах разрешено только таких отходов, которые не загрязняют окружающую среду и способны к быстрому разложению под действием природно-климатических факторов окружающей среды и биоты, остальные ТПО утилизируются.

Проблема снижения уровня накопления твердых отходов в мире сводится к решению следующих ключевых вопросов:

• снижение объёмов их образования в техногенных системах;

• рециклизация;

• нейтрализация;

• удаление и захоронение.

Указанные выше пути решения могут быть трансформированы в два основных направления:

• технологическое – повышение экологической безопасности техногенных систем;

• экозащитное – стабилизация, изоляция от природной среды, мониторинг накопления твердых отходов, воздействие на окружающую среду и здоровье человека.

В Украине промышленной утилизации подвергается около 3% ТБО, а основная масса ТБО вывозится на свалки и полигоны – захоронения с отчуждением земель в пригородных зонах. Значительное количество ТБО поступает на несанкционированные свалки, число которых постоянно увеличивается. ТБО представляют собой опасный источник загрязнения окружающей среды, способствующий распространению опасных химических веществ и болезнетворных бактерий. Вместе с тем, они содержат в своём составе ценные компоненты, которые могут быть повторно использованы.

Открытые свалки являются источниками инфекционных заболеваний, загрязняют воздушный бассейн, поверхностные и грунтовые воды, являются причиной пожаров. В промышленно-развитых странах утилизация ТБО достигает 75%.

ТБО классифицируются на (табл. 6):

• органические (горючие);

• неорганические (негорючие);

• пищевые.

Таблица 6 - Усредненный состав ТБО, % масс

Вещество	Усредненный состав ТБО, % масс
– бумага, картон	25-30
– пищевые отходы	30-38
– дерево	1,5-3,0
– металлы цветные черные	0,2-0,3 2-3,5
– текстиль	4-7
– кости	0,5-2
– стекло	5-8
– кожа	2-4
– резина	2-4
– камни	1-3
– полимерные материалы	2-5
– прочие	1-2
– отсев	7-13

Проблемы выбора метода утилизации ТБО возникают из-за нерегулярного фракционного состава и агрегатного состояния ТБО. В разных странах к решению этой проблемы подходят по-разному, следуя экономи-ческим, экологическим, социальным и политическим возможностям конкретной страны.

Основные методы нейтрализации ТПО приведены в таблице 7.

Существуют три основных способа нейтрализации ТБО.

• сжигание;

• захоронение на организованных полигонах;

• переработка.

В начале 90-х годов на территории Украины функционировало три мусоросжигательных завода (МСЗ). Основным назначением сжигания является уменьшение объёма ТБО перед вывозом их на полигоны захоронения. Количество золы и шлака составляло до 30% от массы сжигаемых отходов. Главной проблемой переработки ТБО является их несортированность, высокая влажность (50%), низкая теплотворная способность в среднем 1480 ккал/кг. В выбросах МС3 содержится большое количество токсических соединений – полиароматические углеводороды и диоксины, которые образуются при низкой температуре – следствие высокой влажности ТБО и несортированности ТБО, содержащих хлорсодержащие соединения (табл.7).

Таблица 7 – Классификация методов нейтрализации и утилизации ТПО

Виды отходов	Метод переработки
Металлотходы	Сортировка (разделение лома и отходов по видам); разделка (удаление неметаллических включений); механическая обработка (рубка, резка, дробление, пакетирование, брикетирование); переплав; складирование; захоронение
Отходы древесины	Прессование, резка, сжигание, складирование.
Отходы пластмасс	Прессование, сжигание, захоронение
Высокотоксичные отходы	Затаривание в специальные контейнеры и захоронение
Органические горючие вещества	Дробление, прессование, сжигание, захоронение
Неисправные лампы	Демеркуризация ламп, утилизация ртути
Песок, загрязненный нефтепродуктами; формовочная земля	Прокаливание, захоронение
Испорченные баллоны с остатками вещества	Подрыв баллонов в специальных камерах, захоронение
Радиоактивные отходы	Затаривание в специальные контейнеры и захоронение на специальных площадках.

Технология уничтожения ТБО на МС3 основана на двух методах термического обезвреживания:

• термический гомогенный при 1700-1900°С в отсутствие кислорода, разложение вредных токсичных соединений до менее опасных или нейтральных осуществляется только за счет высоких температур;

• термический гомогенный при 1700-1900°С в присутствии кислорода, разложение вредных токсичных соединений до менее опасных или нейтральных осуществляется не только за счет высоких температур, но и реакций глубокого окисления кислородом.

Процессы могут быть выполнены, как с утилизацией, так и без утилизации теплоты.

Захоронение ТБО на полигонах является основным способом, принятым в Украине, России и в большинстве стран мира.

В период доминирования мусоросжигающих технологий инженерные разработки обустройства новых и действующих полигонов захоронения ТБО были приостановлены. Поэтому к середине 90-х годов многие города Украины имели переполненные свалки, а поиск новых площадей для захоронения ТБО оказался сложным и трудноразрешимым.

2. Санитарные, экономические, экологические аспекты термического обезвреживания твердых отходов

В мире существуют предприятия по термическому обезвреживанию ТПО и ТБО. Однако ни одно из этих предприятий не является безотходным и экономически рентабельным. Эти установки выделяют в окружающую среду вредные вещества, а получаемые на них отходы необходимо складировать на свалках и полигонах. Выход отходов составляет 35-40% от объема перерабо-танных твердых отходов. Действующие и проектируемые установки по сжиганию ТБО и ТПО при температурах выше 1000°С обладают следующими недостатками:

• отсутствуют системы регулирования и контроля процесса горения органических компонентов твердых отходов в высокотемпературной зоне печей;

• отсутствует система ингибирования – образования в процессе горения отходов особо опасных соединений – диоксины, фураны.

При высоких температурах (более 1000°С) опасные вещества разлагаются до более простых молекул, а при последующем охлаждении дымового газа вновь образуются особо опасные вещества. Чтобы снизить токсичность дымового газа, необходимо из него полностью удалить атомы кислорода, хлора и фтора. Для этого в печь добавляют уголь и известняк. Уголь связывает кислород шихты в монооксид и диоксид углерода, а известняк связывает атомы галогенов, содержащихся в твердых отходах.

Наиболее эффективно процесс сжигания твердых отходов протекает в печах доменного типа. Технология позволяет перерабатывать твердые промышленные и бытовые отходы без предварительного их разделения по фракциям. Основным материальным отходом технологии являются дымовые газы, а оставшиеся после сжигания отходы перерабатываются в облицовочные плиты, чугун, сталь.

Система очистки дымовых газов включает следующие основные стадии:

• электрофильтр;

• каталитическая нейтрализация;

• абсорбция кислотных компонентов;

• адсорбция диоксинов и фуранов на активированном угле;

• тонкая очистка газа от пыли в рукавных фильтрах.

Ориентировочная стоимость установки по переработке ТБО, ТПО производительностью 60000 т/год 45 млн. долл. США, необходимая площадь 1,5 га. Основная продукция установки (в год) – 50 млн. кВт-час электроэнергии, 10000 т металлических изделий, 25000 т шлаковых изделий. Срок окупаемости установки – 3 года. Проект установки разработан специалистами научно-исследовательского центра «Экология и промышленная энерготехнология» объединенного института высоких температур РАН и АОЗТ «Резоцинт». До отработки этой технологии в промышленных условиях нельзя сделать окончательные выводы по экономической целесообразности и экологической безопасности предложенного проекта технологии уничтожения ТБО и ТПО.

Ниже приведены сведения по проблемам, которые выявлены в процессе промышленной эксплуатации установок термического обезвреживания твердых отходов.

Перед сжиганием твердые отходы должны взвешиваться и частично сортироваться. В мусор, особенно в больших городах, попадает много алюминия и, если его не отделять, то при попадании в зону горения значительных количеств алюминия может произойти тепловой взрыв.

Бункер для хранения резервного запаса мусора представляет собой объект повышенной опасности, поскольку при этом помимо нарушения санитарно-гигиенических условий труда образуется пожаро-взрывоопасный метан. Для обеспечения санитарно-экологической безопасности требуется полная зачистка бункера не реже, чем один раз в неделю, либо организовать мощную принудительную вентиляцию мусора, чтобы предотвратить образование взрывоопасной концентрации метана. После вентиляции мусора воздух необходимо направить в печь сжигания, а не выбрасывать в атмосферу.

Согласно нормативам Европейского Союза (НЕС) время пребывания газов в высокотемпературной зоне печи сжигания не должно быть менее двух секунд (правило двух секунд) при температуре не ниже 850°С и концентрация кислорода не менее 6% объемн. Эти требования достаточно жесткие, особенно затруднительно добиться высокой концентрации кислорода в зоне горения. Правило двух секунд предполагает, что при концентрации кислорода 11% в зоне горения концентрация диоксинов в отходящих газах уменьшается до такой концентрации, при которой возможна очистка отходящих газов от диоксинов до требуемой НЕС концентрации 0,1 мг/м³, при этом подразумевается, что степень очистки от диоксинов будет не менее «шести девяток», то есть 99,9999%.

Во многих схемах МСЗ вводят дополнительные зоны с высокой температурой, зоны «дожига» для снижения выхода диоксинов.

Вопрос о целесообразности установки дополнительной зоны «дожига» довольно широко обсуждался в научно-технической литературе. Подавляющая часть исследований свидетельствует о неэффективности этого способа уменьшения концентрации диоксинов. При обследовании мусоросжигающих печей было показано, что диоксины образуются как в процессе сжигания, так и охлаждения отработанных газов, а повышенные температуры в зоне «дожига» не приводят к разрушению диоксинов. Кроме этого, высокотемпературные зоны приводят к увеличению летучести тяжелых металлов и как следствие повышенная эмиссия опасных металлов в атмосферу. Показано, что выбросы наиболее опасных компонентов продуктов неполного сгорания, в том числе диоксина из печей сжигания различных конструкций, не снижаются даже при повышении температуры в зоне горения от 700 до 1500°С, при увеличении времени пребывания газов в зоне горения от 2 до 6 с и увеличении концентрации кислорода от 2 до 15%.

На основании анализа опубликованных материалов по исследованию работы мусоросжигающих печей можно сделать вывод, что зона высокотемпературного «дожига» не позволяет снизить концентрации опасных соединений и тяжёлых металлов.

При оценке эффективности очистки отработанных газов следует руководствоваться нормами НЕС. В таблице 8 приведено сравнение состава дымовых газов проекта Пятигорского МСЗ и НЕС.

Таблица 8 – Концентрация токсических соединений в дымовых газах МСЗ

Токсиканты	Концентрация, мг/м3		Превышение
	Проект МСЗ	НЕС
Пыль	30	5	6
СО	100	50	2
SO2	300	40	7,5
NOX(NO2)	350	70	5
HCl	30	10	3
HF	2	1	2
C (орг)	20	10	2
Тяжелые металлы (Cd+Hg)	0,2	0,1	2
Остальные	6	1	6

В таблице 8 не указана концентрация диоксинов, хотя именно по этому показателю оценивается эффективность, экологическая безопасность любого МСЗ. По НЕС содержание диоксинов в отходящих газах не должно быть выше 0,1 мг/м³ при условии, что концентрация кислорода в зоне горения составит 11%.

Из данных, приведенных в таблице 8, следует, что проект Пятигорского МСЗ представляет экологическую опасность и по условиям экологической экспертизы не может быть принят к промышленной реализации.

Схема очистки дымовых газов включает следующие стадии:

• электрофильтры – очистка газа от пыли;

• каталитические методы;

• окисление монооксида углерода, органических соединений;

• восстановление оксидов азота;

• адсорбция диоксинов на активированном угле;

• щелочная абсорбция кислых компонентов дымовых газов.

В силу того, что до настоящего времени отсутствуют четкие представ-ления о механизме образования диоксинов, в проектах МСЗ принимаются ошибочные решения. В основном диоксины адсорбируются на частицах летучей золы и после электрофильтров концентрация диоксинов в дымовых газах должна понизиться. В то же время по практическим данным МСЗ концентрация диоксинов в газах после электрофильтров увеличивается. Реально позволяет снизить концентрацию диоксинов в дымовых газах адсорбция их на активированном угле.

Однако приведенные технические рекомендации не позволяют решить проблемы нейтрализации диоксинов. В случае с очисткой газа в электро-фильтрах и адсорбцией диоксинов на активированном угле диоксины переводятся из газовой фазы в адсорбированное состояние на поверхности летучей золы или активированного угля. А что делать с уничтожением последних – захоронение или сжигание угля вновь приведут к выделению диоксинов. Поэтому именно в силу технических осложнений улавливания диоксинов и жестких требований по их эмиссии очистные сооружения современных заводов требуют значительных инвестиций.

Распространено представление о том, что резкое охлаждение дымовых газов, т.е. «закалка», должна привести к снижению выхода диоксинов. Истинная «закалка» подразумевает снижение температуры газового ядра на несколько сотен градусов за доли секунды, чтобы ингибировать положение термодинамического равновесия при высокой температуре. Однако, это технически сложно осуществить в реальных условиях МСЗ. При «закалке» дымовые газы МСЗ с температурой выше 850⁰С поступают в камеру впрыска воды, либо в котел-утилизатор, где охлаждаются до температуры 300-320⁰С. Экспериментальным путем определено, что наиболее благоприятные температуры для образования диоксинов – это интервал 300-400⁰С. Это именно тот диапазон температур, до которых охлаждаются дымовые газы. По данным исследования Агентства охраны окружающей среды (ЕРА, США) установлено, что нижняя граница образования диоксинов находится в пределах температур 250-350 ⁰С. Становится очевидным, что котел-утилизатор является идеальным реактором для образования вторичных диоксинов.

Ниже приведены стадии очистки дымовых газов, принятых на современных МСЗ (на примере МСЗ в г. Алкмаар, Нидерланды):

- электрофильтр – очистка от летучей золы;

- впрыск очищенной воды – «закалка»;

- электрофильтр – тонкая очистка от летучей золы;

- абсорбер для поглощения кислых компонентов (первая стадия) ();

- щелочная абсорбция кислых компонентов (вторая стадия) ();

- очистка сточных вод после стадий (, ) – нейтрализация, флокуляция, осаждение – очищенная вода поступает на впрыск – «закалку»;

- теплообменник для нагрева дымового газа;

- реактор с дополнительным вводом активированного угля для связы-вания диоксинов;

- рукавные фильтры для тонкой очистки газа от пыли;

- нагрев дымовых газов;

- каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком, совмещенное с каталитической нейтрализацией диоксинов.

Таким образом, основным барьером в широком распространении термических методов обезвреживания твердых промышленных и бытовых отходов является проблема выбросов диоксинов и фурана. Сжигание несортированного мусора с каждым годом становится все более невыгодным вследствие высоких расходов энергоносителей и химической неполноты сгорания токсикантов. Так, на Пятигорском МСЗ в декабре 1996 поступило 8796 т. ТБО, а выход шлака составил 4700 т (53%). Расход энергоносителей по этому заводу приведен в таблице 9.

Стоимость сжигания одной тонны ТБО в 1996 г. составляла 207534 руб. при выручке за использование тепла и металлолома 21392 руб, а в 1997 г. стоимость сжигания 1 т ТБО возросла на 70000 руб.

Таблица 9 – Расход энергоносителей

Энергоносители	Общий расход	На одну тонну ТБО
		В абсолютных величинах	В рублях (по курсу 1996 г.)
Природный газ	1418,4 тыс. м3	161,3 м3	51940
Электроэнергия	593,1 тыс. кВт.ч	67,4 кВт.ч	23837

3. Утилизация твердых бытовых отходов

Удельное накопление ТБО составляет 0,3-0,5 т/чел. в год. Насыпная плотность ТБО находится в пределах 0,2-0,3 т/м³, влажность до 50%. Система вывоза и хранения на полигонах и свалках в целом отработана. Известные методы термического окисления ТБО связаны с проблемами загрязнения окружающей среды. В промышленно-развитых странах практикуется селективная сортировка ТБО с целью отделения ценных соединений и их утилизации. Этот метод характеризуется высокими экономическими показателями и экологически безопасен.

Разработана опытно-промышленная мусоросортировочная станция мощ-ностью 4000 ТБО т/год, в её основу положена действующая система сбора и вывоза мусора без предварительной сортировки и обработки ТБО. ТБО из хранилища грейфером подаются через приемный бункер на пластинчатый транспортер на сушку. При температуре 110-130⁰С из ТБО удаляется 10% влаги, далее высушенные ТБО подвергаются обеззараживанию бактерицидной ультрафиолетовой (УФ) лампой. В барабанном сепараторе отделяются фракции пищевых отходов, строительных отходов, металла и других компонентов размеров до 60 мм и вновь подвергаются УФ отработке, проходят магнитный сепаратор.

Основная масса ТБО после УФ обработки поступает на ленточный конвейер, на котором производится ручная сортировка по видам отходов:

• полиэтиленовые бутылки передают на измельчение и грануляцию;

• утиль, ветошь, макулатуру брикетируют и передают на дальнейшую переработку в картон и рубероид;

• стеклобой идет на переработку в стеклоизделия;

• полимерные отходы передают на утилизацию на специализированные производства;

• металл прессуют и отправляют на переплав.

Остатки пищевых отходов и строительного мусора измельчаются в дробилке размером 10-20 мм, после магнитного сепаратора их направляют на иловые поля и далее используют в качестве удобрения.

Затраты на изготовление оборудования опытно-промышленной установки составляют 700 тыс. долл. США. Энергопотребление станции – 20 кВт/т ТБО, расход природного газа на сушку 22 м³/т ТБО, воды 0,02 м³/т. Требуемая производственная площадь 2500 м². В проектируемой мусоросортировочной станции отсутствует стадия термического окисления ТБО, и поэтому не будут выделяться диоксины и фураны. Не образуются вторичные твердые отходы, требующие организованного захоронения, максимально извлекаются и используются компоненты ТБО.

Возможна рекультивация действующих свалок с извлечением компонентов ТБО и освобождения земельных угодий.

4. Утилизация твердых промышленных отходов

Методы борьбы с твердыми отходами можно сгруппировать следующим образом:

• захоронение на организованных полигонах;

• уничтожение;

• термическое (пиролиз);

• термоокислительное;

• рециркуляция;

• разработка малоотходных, ресурсосберегающих, безотходных технологий.

В экологическом аспекте наиболее предпочтительны – рециркуляция твердых отходов и разработка ресурсосберегающих технологий. Наибольших успехов в рециклизации твердых отходов достигла Япония. Доля рециклизации твердых отходов (%): зола – 42,9; шлам – 24,8; масла – 24,6; кислоты – 33,6; щелочи – 28,8; пластик – 24,4; бумага – 43,8; древесина – 95,1; текстиль – 50,6; резина – 25,9; металлолом – 97,5; стекло – 37,9; шлак – 75,1; строительные материалы – 10,0; пыль – 64,7. В среднем общая доля рециклизации – 58,4.

Ниже приведены перспективные направления переработки и утилизации твердых отходов.

Обработка и ликвидация нефтяного шлама

В настоящие время на предприятиях нефтегазового комплекса накоплено более 7 млн.т. нефтешламов, которые образуются при очистке сточных вод, в системе оборотного водоснабжения, во время ремонта оборудования, а также при чистке резервуаров.

Проблема ликвидации отходов не решена, и поэтому их количество постепенно растет, что приводит к загрязнению окружающей среды и изъятию полезных земельных площадей. Нефтяные шламы по составу чрезвычайно разнообразны и представляют собой сложные системы, состоящие из углеводородов, воды и минеральной части (песок, глина, ил), соотношение между которыми колеблется в широких пределах.

Состав шламов зависит от типа перерабатываемого сырья, схем переработки, оборудования, реагентов, используемых в процессах очистки сточных вод. В основном шламы представляют собой тяжелые нефтяные остатки, содержащие в среднем, % масс: 10-56 нефтепродуктов, 30-85 воды, 13-46 твердых минеральных примесей.

Кроме того, в процессе длительного хранения шламы «стареют», их состав меняется, что еще больше осложняет решение проблемы утилизации.

В состав нефтяных шламов входят токсичные и канцерогенные элементы, которые практически никогда не учитываются при определении класса опасности таких отходов. К ним можно отнести ионы тяжелых металлов, ароматические фракции и полиароматические соединения, циклические углеводороды, минеральные и органические соли, поверхностно-активные вещества (ПАВ). Класс опасности определяется, в основном, по интегральному показателю «нефтепродукты».

Вертикальное продвижение нефти вдоль почвенного профиля создает хроматографический эффект, приводящий к дифференциации состава нефти: в верхнем, гумусовом горизонте сорбируются высокомолекулярные компоненты нефти, содержащие смолисто-асфальтовые вещества и циклические соединения; в нижние горизонты проникают, в основном, низкомолекулярные соединения. Эти соединения имеют более высокую растворимость в воде и более высокую диффузионную способность, чем высокомолекулярные компоненты. Легкие углеводороды высокотоксичны, трудно усваиваются микроорганизмами, поэтому долго сохраняются в нижних слоях почвенного профиля. Основную часть легкой фракции составляют парафиновые углеводороды с числом углеродных атомов (С₅-С₁₁). Высокомолекулярные углеводороды (С₁₂-С₁₇) нетоксичны для живых организмов, но, вследствие высоких температур застывания (18°С и выше) в условиях земной поверхности, они переходят в твердое состояние, лишая нефть подвижности. Нафтеновые углеводороды с насыщенными связями окисляются очень трудно. Смолы и асфальтены определяют физические свойства и химическую активность. В состав смол и асфальтенов входят канцерогенные полициклические ароматические соединения, содержащие серу, кислород, азот, микроэлементы.

С экологических позиций микроэлементы шламов разделяют на две группы: нетоксичные (Si, Fe, Al, Ca, Mg, P) и токсичные (V, Ni, Co, Pb, Cu, Ag, Hg, Mo).

Исследование состава нефтешлама позволяет оценить токсичные свойства шлама, предусмотреть стадии переработки и выделения отдельных фракций, их утилизации.