Технологии утилизации производственных, промышленных и бытовых отходов

Введение

Утилизация коммунальных отходов, иловых осадков сточных вод, отработанных автомобильных шин, отходов деревообработки, нефтепереработки, сельскохозяйственных и медицинских отходов – острейшая проблема любой территории.
Совершенствование системы управления отходами признается в настоящий момент главной проблемой в области охраны окружающей среды.
К настоящему времени в большинстве развитых стран после их перехода к постиндустриальному развитию создана избыточно мощная инфраструктура по захоронению, компостированию, термическому обезвреживанию, утилизации и переработке ТБО, что привело к конкуренции в сфере обращения с отходами, особенно с теми из них, которые обладают высоким энергетическим и ценным материальным ресурсным потенциалом [9].
В этих условиях важным является обоснованный выбор методов и технологий обращения с отходами с позиций экологически устойчивого развития как элементов интегрированной системы управления отходами, обеспечивающих, по сравнению с другими, увеличение возврата задолженных в отходах материальных и энергетических ресурсов в природные циклы и снижение за счет этого экологической нагрузки на окружающую среду и население [4].
Наметившийся в последние два десятилетия рост в ряде развитых стран объемов термического обезвреживания и утилизации ТБО на современных экологически безопасных мусоросжигательных заводах (МСЗ), отвечающих требованиям наилучших доступных технологий (НДТ), привел к тому, что поя вился интерес к термическим методам обезвреживания и утилизации ТБО как перспективного направления, позволяющего реализовать ожидания общества к переходу к устойчивому развитию в сфере обращения с отходами.
Зависимость ряда стран от импорта углеводородных энергоносителей, высокая затратность их применения для получения тепловой и электрической энергии определили осознание широкими слоями общества целесообразности использования ТБО в качестве постоянно возобновляющегося и экономически доступного источника энергии.
Одним из важных аргументов в пользу использования термических методов обращения с ТБО является их экономическая эффективность, о чем свидетельствует возрастающее их применение в большинстве развитых стран, а также экологическая безопасность современных МСЗ последних поколений, обеспечивающих достижение приемлемого уровня экологических нагрузок при их размещении в пределах селитебных территорий.
Проведенный анализ экономической эффективности со временных МСЗ показал, что большинство из более чем 2500 эксплуатирующихся в мире в настоящее время МСЗ рентабельны, а формируемая ими экологическая нагрузка ниже допустимой регламентируемой нормативными требованиями [12].
Наметившиеся в последнее десятилетие тенденции по увеличению применения термических методов в обращении с ТБО определяют актуальность проведения исследований по оценке перспектив их развития как структурного элемента систем об ращения с отходами интегрированных в общую стратегию устойчивого развития территорий.
Цель настоящего исследование – анализ технологий утилизации отходов.


1. ИСТОРИЯ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ
На принципах сжигания на открытом огне основаны многие ритуальные процедуры по сжиганию (кремации) тел умерших людей, а также огнепалимых жертвоприношений, имеющих многотысячелетнюю историю.
Первые достоверные сведения об огневых методах уничтожения ТБО, трупов животных, а также тел преступников, не удостоенных погребения в могилах или памятных склепах, достаточно часто встречаются в Талмуде, Библии, Коране и других подобных источниках.
Так, достаточно полно описана в Новом Завете «Геенна огненная» – вторая Кедронская долина (долина Енома), расположенная на юго-западе вблизи старого города Иерусалима. Эта долина была местом свалки, куда выбрасывались и где сжигались отходы, кости и трупы животных.
Давид Кимхи так описывает Геенну: «…место сие находится в земле, прилегающей к Иерусалиму, и место сие отвратительно; туда бросают нечистоты и трупы. Также там не переставая горит огонь, в котором сжигают нечистоты и кости трупов…» [2].
Сжигание отходов происходило в ямах или на кострах с использованием дров при постоянном поддерживании огня.
При недостаточно высоких температурах, достигаемых при таком способе сжигания в толстом слое отходов, особенно крупнокусковых, трудно было обеспечить их равномерное горение и полное сгорание. Это приводило к образованию большого количества недожога и сопровождалось значительными пылегазовыми выбросами, черным дымом и зловонием.
Так как образование черного дыма и неприятных запахов было неприемлемым при принесении огнепалимых жертв, эмпирическим путем была усовершенствована технология открытого огневого слоевого сжигания.
Так, в Пятикнижии достаточно подробно описано устройство жертвенника, где сжигались огнепалимые жертвы. Жертвенник сооружался из крупных камней таким образом, чтобы между ними были зазоры, через которые легко проникал воздух. Поверх камней устанавливалась металлическая решетка. При этом указывалось, чтобы решетка была «сетчатой работы из меди» (прообраз современных колосниковых решеток) с тем, чтобы через отверстия в ней проваливалась зола (которая собиралась в специальные сосуды) и проходило подсасывание воздуха в зону горения. Несмотря на то, что получавшаяся при сжигании тел жертв зола (в терминологии тех времен – «пепел») считалась чистой, тем не менее предписывалось удалять ее за пределы поселений (лагерей, станов) в специально отведенные места, где происходило сжигание отходов [6].
Для обеспечения более полного сгорания и сокращения недожога регулировалась толщина слоя тел сжигаемых жертв: тела крупных животных расчленялись, отдельно сжигались такие их части, как шкуры, внутренности, курдючный жир и т.д.
Детально была прописана технология сжигания. Тела мелких животных и птиц целиком, а тела крупных животных в расчлененном виде укладывались поверх решетки с зазором на слой горящих сухих дров с тем, чтобы была обеспечена достаточно высокая температура уже на начальном этапе сжигания (сушке, разогреве и воспламенении) и полнота выгорания с сокращением образования недожога в виде нежелательных пылегазовых выбросов в виде черного дыма и неприятно пахнущих газов.
Элементы этих технологических приемов используются и в настоящее время при слоевом сжигании отходов в усовершенствованном виде на мусоросжигательных заводах, где регулируется толщина слоя сжигаемых отходов и обеспечивается попадание вновь поступающих отходов в уже разогретый участок установок по сжиганию отходов с начальной высокой температурой в зону сушки, а затем далее по направлению движения отходов последовательно в зоны разогрева – пиролиза – газификации – воспламенения – выгорания и дожигания.
Не менее подробно в Пятикнижии даны предписания по огневому обезвреживанию опасных в заразном отношении (в современной терминологии – эпидемиологически опасных) отходов. Так, предписано сжигать бывшие в контакте с больными проказой и загрязненные их выделениями предметы бы та, а также загрязненные элементы (части) жилых зданий, которые невозможно очистить путем вымывания водой: «…и пусть сожгут одежду, основу или уток из шерсти или льна, рав но и всякую кожаную вещь, на которой будет эта язва; ибо это проказа заразительная, на огне это должно быть сожжено…» (Левит, XIIIXIV, 1252).
В жилых домах, где была обнаружена опасная плесень и где установлено несмываемое водой загрязнение выделениями больных предписывалось «…пусть разломают дом, камни его и дерево его, и всю обмазку дома, и вывезут за город, в место нечистое…» (Левит, XIV, 4045) [3].
Многовековой практический опыт и накопление знаний о природе термического обезвреживания отходов, использование достижений в развитии термических технологий в смежных областях науки и техники (кузнечном ремесле, получении металлов в доменных процессах, развитии пиролизных, газификационных и плазменных технологий, электросталеплавления, пылеугольного сжигания, цементном производстве и многих других) применительно к задачам термического обезвреживания отходов позволили достичь значительных успехов в деле повышения технической и экономической эффективности и экологической безопасности термического обезвреживания и утилизации ТБО.
Так, использование в установках слоевого сжигания отходов колосниковых решеток и дутьевого воздуха позволило обеспечить более полное сгорание отходов и снижение недожога, а применение современных устройств для пыле, газоочистки исключает сверхнормативные выбросы в атмосферный воздух.
Кроме того, использование современных технически и экономически доступных и экологически безопасных термических технологий в переработке и утилизации ТБО позволило значительно расширить область их применения, уменьшить объемы размещения неутилизируемых отходов в объектах окружающей среды и во все возрастающих масштабах использовать их энергетический потенциал.
Термическая переработка (обезвреживание) и утилизация ТБО путем использования методов огневого сжигания, газификации, пиролиза и плазменных технологий в настоящее время занимает второе место после захоронения в сфере обращения с ТБО [7].
Определенным стимулом к расширению применения методов термической переработки и утилизации ТБО в последнее десятилетие послужили принятые в ряде развитых стран решения о запрещении размещения на полигонах захоронения ТБО отходов, для которых имеются доступные технологии их пере работки и утилизации. Так, согласно Директиве 2006/12 ЕС «Об отходах» запрещено размещать на полигонах захоронения такого рода отходы.
В настоящее время достигнутые успехи в деле развития технологий термического обезвреживания и утилизации ТБО с использованием их энергетического потенциала, высокоэффективных методов очистки пылегазовых выбросов и утилизации образующихся при этом остатков (золы, шлака и шламов) позволяют относить эти технологии к экологически безопасным и соответствующим принципам устойчивого развития.
Анализ применения термических методов обезвреживания и утилизации ТБО в мировой практике позволяет сделать вывод о том, что имеется выраженная зависимость их использования от уровня развития экономики, плотности населения, наличия свободных земельных ресурсов, уровня потребления первичных энергоносителей для энерго и теплоснабжения, сложившихся предпочтений у референтных групп населения к выбору методов переработки ТБО (негативное/позитивное отношение к термическим методам), нормативно-правовой базы, экологической грамотности населения и правящих элит.
Первые заводы по сжиганию ТБО были созданы во второй половине XIX в. сначала в Великобритании, а затем в США и Германии. Применявшаяся на них технология была весьма несовершенна в техническом отношении и характеризовалась большими выбросами в атмосферный воздух продуктов неполного сгорания отходов (недожога), NOx, CO, SO2, пыли. Выбросы были настолько велики, что это вызывало обоснованные про тесты населения. В последующие периоды была проведена большая работа по совершенствованию технологий термического обезвреживания и утилизации ТБО.
К концу первой половины ХХ в. были созданы МСЗ, которые позволяли достаточно эффективно использовать тепло, получаемое при сжигании отходов для когенерации тепловой и электрической энергии, а уровень очистки пылегазовых выбросов стал соответствовать действующему в то время законодательству [5].
Вместе с тем в 1970–190е гг. дальнейшее развитие МСЗ было существенно замедлено из-за появившихся данных о возможном наличии в выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами загрязняющих веществ – супертоксикантов типа диоксинов, для которых в тот период отсутствовали достаточно эффективные технологии предотвращения их образования, очистки и обезвреживания, гарантирующие экологическую безопасность МСЗ.
Ужесточение нормативно-правовых требований к очистке пылегазовых выбросов МСЗ привели к разработке новых методов и технологий их очистки, которые в настоящее время в разы превышают чистоту выбросов промышленных предприятийи соответствуют современным требованиям [10].
Произошедший в 1990е гг. переход к МСЗ нового поколения, использующих высокоэффективные технологии сжигания ТБО и оснащенных современными технологиями предотвращения образования окислов азота и многоступенчатыми системами очистки пылегазовых выбросов, устройствами для утилизации
Управление бытовыми и промышленными отходами образующихся твердых отходов и шламов пылегазоочистки, зольных остатков и шлаков, системами когенерации тепловой и электрической энергии, получаемой при использовании тепла, образующегося при сжигании ТБО, позволил сделать их конкурентоспособными по сравнению с другими методами обращения с отходами – захоронением, компостированием, переработкой с целью получения вторичных материальных ресурсов (ВМР).
Как свидетельствует практика, во многих крупных городах Европы современные МСЗ используются как основные источники тепло и энергоснабжения, покрывающие более половины потребности в отоплении, горячем водоснабжении и электроснабжении жилья и других объектов ЖКХ

. Так, в гг. Вене и Париже более 60 % потребляемой энергии производится МСЗ. В г. Гетеборге (Швеция) МСЗ производительностью 400 тыс. т/год ТБО ежегодно вырабатывает 114 тыс. МВт тепловой и 2 тыс. МВт электроэнергии, что равноценно сбережению 120 тыс. т мазута [1].
В развитых странах, несмотря на относительно высокие начальные капиталовложения на сооружение МСЗ по сравнению с полигонами захоронения ТБО и последующие значительные эксплуатационные затраты на очистку пылегазовых выбросов, сточных вод и обращения с образующими твердыми отходами при сжигании ТБО, МСЗ используются достаточно широко и они достаточно успешно конкурируют с другими технологиями.
В известной степени этому способствуют такие важные факторы:
- наличие больших потоков ТБО, содержащих достаточно большую долю фракций с высокой теплотворной способностью, что позволяет их идентифицировать, по крайней мере, как топливный материал на уровне торфа;
- законодательная и иная нормативно-правовая база, позволяющая при высоких требованиях к качеству очищенных дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу, размещать МСЗ в пределах жилой застройки и вблизи объектов социально культурного назначения (лечебно-профилактических, образовательных и др.) без организации санитарно-защитных зон, что определяет возможность их использования в качестве ТЭЦ без значительных теплопотерь, которые неизбежны при транспортировке горячей воды для нужд теплоснабжения на большие расстояния (несколько километров и более);
- наличие гарантированного круглогодичного потребителя тепловой энергии в объемах, вырабатываемых МСЗ;
- политический климат и желание ряда развитых стран с помощью МСЗ снизить зависимость от импорта углеводородных энергоносителей [9].


2. ПРОБЛЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ

Отходы потребления относятся к одному из основных факторов антропогенного воздействия на окружающую природную среду, обуславливающих ухудшение качества жизни человека. Опыт свидетельствует, что полностью используется только 20-40% добытого и переработанного сырья, в то время как остальная часть сырья превращается в отходы различной степени опасности.
По мере использования материальных ресурсов они также переходят в категорию отходов. В итоге основная масса изъятых природных материалов трансформируется в отходы, которые зачастую представляют большую экологическую опасность, чем исходное сырье, и являются прямыми или косвенными источниками загрязнения всех компонентов окружающей среды [1].
В декабре 2014 г. был принят Федеральный закон № 458 «О внесении изменений в Федеральный закон «Об отходах производства и потребления, отдельные законодательные акты Российской Федерации и признании утратившими силу отдельных законодательных актов Российской Федерации».
Данный закон впервые вводит в Федеральный закон №89 «Об отходах производства и потребления» понятие «твердые коммунальные отходы», согласно которому твердые коммунальные отходы – это отходы, образующиеся в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами, а также товары, утратившие свои потребительские свойства в процессе их использования физическими лицами в жилых помещениях в целях удовлетворения личных и бытовых нужд.
К твердым коммунальным отходам также относятся отходы, образующиеся в процессе деятельности юридических лиц, индивидуальных предпринимателей и подобные по составу отходы, образующиеся в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами [8].
В населенных пунктах России ежегодно образуются около 115–118 млн м3 твердых коммунальных отходов (ТКО).
Исходя из сложившегося ежегодного прироста, ожидается, что в ближайшие годы их объем возрастет до 170–180 млн м3. В хозяйственный борот вовлекается только около 7–8 % собираемых ТКО, остальной их объем направляется на захоронение на полигонах и свалках.
Захоронение ТКО на полигонах вызывает:
а) загрязнение и захламление земель;
б) загрязнение верхних водоносных горизонтов токсичными элементами, содержащимися в фильтрате, образующемся на полигонах захоронения ТКО;
в) выделение больших объемов биогаза, содержание в котором преимущественно метана и углекислого газа приводит к изменению климата, а также к самовозгоранию и горению полигонов захоронения ТКО.
Кроме того, безвозвратно теряются материальные и энергетические ресурсы, которые могли бы быть повторно использованы, в том числе в качестве сырья для производства ряда продукции (товаров).
Низкий процент переработки ТКО обусловлен рядом следующих причин:
а) ликвидирована система заготовки и переработки «вторичного сырья», которая функционировала в СССР, а надлежащая система управления деятельностью по обращению с ТКО за «постсоветский» период не создана;
б) произошел скачкообразный рост потребления населением, особенно городским, продукции (товаров), которые после утраты своих потребительских свойств относятся к ТКО;
в) инфраструктура по раздельному сбору, использованию (утилизации) и обезвреживанию образовавшихся ТКО имеет крайне недостаточное развитие;
г) предусмотренный действующим законодательством Российской Федерации механизм привлечения финансовых средств на создание и развитие инфраструктуры по удалению ТКО неэффективен.
Передача полномочий по организации обращения с ТКО от субъектов Российской Федерации органам местного самоуправления произошла в 2004 году.
На сегодняшний момент решение вопросов обращения с отходами потребления, в том числе с твердыми коммунальными отходами в Российской Федерации отнесено к компетенции органов местного самоуправления (организация сбора, вывоза, утилизации и переработки твердых коммунальных отходов), что подтверждает Федеральный закон «Об общих принципах организации местного самоуправления».
Для выполнения этой важной работы требуется решение технических, технологических и организационно-правовых задач [2].
Твердые коммунальные отходы имеют разное происхождение, но объединяет их то, что ответственность за организацию деятельности по сбору (в том числе раздельному сбору), транспортированию, обработке, утилизации, обезвреживании, захоронении ложится на муниципальные власти [6].
В настоящее время управление твердыми коммунальными отходами для муниципалитетов зачастую ограничивается только сбором и транспортировкой твердых коммунальных отходов к объектам захоронения.
Однако в соответствии с ФЗ № 458 от 29.12.2014 г. к полномочиям органов местного самоуправления муниципальных районов относится также участие в организации деятельности по сбору (в т.ч. раздельному), обработке, утилизации, обезвреживанию твердых коммунальных отходов.
Совершенствование системы управления отходами признается в настоящий момент главной проблемой в области охраны окружающей среды.
К настоящему времени в большинстве развитых стран после их перехода к постиндустриальному развитию создана избыточно мощная инфраструктура по захоронению, компостированию, термическому обезвреживанию, утилизации и переработке ТБО, что привело к конкуренции в сфере обращения с отходами, особенно с теми из них, которые обладают высоким энергетическим и ценным материальным ресурсным потенциалом.
В этих условиях важным является обоснованный выбор методов и технологий обращения с отходами с позиций экологически устойчивого развития как элементов интегрированной системы управления отходами, обеспечивающих, по сравнению с другими, увеличение возврата задолженных в отходах материальных и энергетических ресурсов в природные циклы и снижение за счет этого экологической нагрузки на окружающую среду и население [11].


3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ

Самым распространенным до последнего времени способом борьбы с бытовыми отходами в нашей стране был вывоз их на свалки. Под полигоны для мусора на десятки лет отчуждались огромные территории, хотя их можно было бы использовать с большей пользой.
По общему мнению, использование свалок не только не решало проблему, но и наоборот обострило ее. Свалки сегодня – это эпидемиологическая опасность, огромные полчища грызунов, питающихся на свалках, являются переносчиками инфекции. Свалки сегодня – это мощный источник биологического загрязнения. Происходит это из-за того, что анаэробное (без доступа воздуха) разложение органических отходов сопровождается образованием взрывоопасного биогаза, который представляет угрозу для человека, вредно воздействует на растительность, отравляет воду и воздух [7].
Главный компонент биогаза – метан – признан одним из виновников возникновения парникового эффекта, разрушения озонового слоя атмосферы и прочих проблем глобального характера. В общей сложности из отходов в окружающую среду попадает более ста наименований токсичных веществ. Нередко свалки горят, выбрасывая в атмосферу ядовитый дым.
Чтобы обустроить полигон для мусора и содержать его на уровне современных экологических требований, нужны большие средства. Очень дорого обходится рекультивация закрытых (уже не действующих) полигонов. Это целый комплекс мер, цель которых – остановить вредное воздействие свалок на окружающую среду, в том числе на почву и подземные воды. Рекультивация одного гектара мусорного полигона обходится сегодня в 6 млн. рублей.
Велики и транспортные расходы на перевозку отходов, поскольку свалки, как правило, располагаются далеко за городом.
Сейчас в мировой практике широко применяются технологии сжигания бытовых отходов, сегодня их более десятка. По оценке Всероссийского теплотехнического института (ВТИ), вырабатываемая при их реализации тепловая энергия наиболее эффективно используется в трех случаях: при сжигании твердых отходов на колосниковых решетках, в топке с псевдоожиженным (кипящим) слоем и по технологии «пиролиз», что подразумевает под собой высокотемпературное сжигание.
Сжигание на колосниках в слоевой топке является наиболее распространенной технологией. По этому методу работает большинство зарубежных мусоросжигательных заводов и все российские, построенные до настоящего времени.
Сжигание отходов в топках с псевдоожиженным слоем широко распространено в Японии. В Европе таких заводов только два – в Испании и Германии, строительство еще двух ведется: во Франции и в России (в Москве). В США работает завод по сжиганию отходов в циркулирующем псевдоожиженном слое [8].
К сожалению, обе упомянутые технологии не решают проблему утилизации и обезвреживания твердых остатков – шлака и особенно летучей золы, которая улавливается системой газоочистки.
Но если шлак можно использовать, например, при засыпке оврагов или в строительстве, то для золы приходится устраивать захоронение на специально оборудованных полигонах, так как она адсорбирует тяжелые металлы и другие токсичные вещества.
Есть и другие пути переработки твердых остатков, но все они требуют существенных дополнительных материальных затрат. Обезвредить золу и шлак позволяют комбинированные технологии сжигания отходов при высокой температуре.
Первый крупномасштабный завод, работающий по данной технологии, построен в немецком городе Вюрте [1].
Новый метод сочетает в себе низкотемпературный пиролиз (обработку отходов без доступа кислорода) и последующее их сжигание при высокой температуре. Сейчас на заводе идут промышленные испытания. После начала эксплуатации он сможет принимать 100000 тонн бытовых отходов в год.
Комбинированная технология фирмы «Сименс» выгодно отличается от других тем, что, во-первых, из бытовых отходов получают материалы, пригодные для использования практически без дальнейшей обработки