Использование отходов городского хозяйства

Введение

Жители Нью-Йорка выбрасывают в день в общей сложности около 24000 т материалов. Эта смесь, состоящая в основном из разнообразного хлама, содержит ценные металлы, стеклянные контейнеры, пригодные для дальнейшего использования, а также макулатуру, пластик и пищевые отходы, незаменимые для удобрения почвы. Но наряду с ними в этой смеси содержится еще большее количество опасных отходов: ртуть из батареек, фосфоро-карбонаты из флюорисцентных ламп и токсичные химикаты из бытовых растворителей, красок и предохранителей деревянных покрытий. Растущее количество отходов и нехватка средств их переработки характерны для многих городов. Муниципальные власти повсеместно пытаются найти лучший способ для утилизации отходов своих граждан. Особенно остро эта проблема стоит в промышленно развитых странах, так как состояние окружающей среды не допускает использование традиционных мест сброса. Все больше и больше мусора вывозится на дальние расстояния в санитарные зоны сброса, где он сортируется для извлечения ценных материалов в целях дальнейшей переработки и сжигается в специальных печах, предназначенных для получения энергии.

Проблема утилизации отходов усугубляется в основном потому, что большая часть товаров народного потребления обречена на очень кратковременную службы человеку. Они куплены, потреблены и выброшены без должного отношения к их остаточной ценности. Поражают количество энергии и затраты на восстановление окружающей среды при такой структуре потребления. Д. Морис, сотрудник Вашингтонского института местного самоуправления и самообеспечения хорошо показал это: "Город размером с Сан-Франциско располагает большим количеством алюминия, чем небольшая бокситовая шахта, меди - чем средняя медная копия, и большим количеством бумаги, чем можно было бы получить из огромного количества древесины. Сан-Франциско - это шахта. Вопрос лишь в том, как эффективнее ее разрабатывать, с тем чтобы получить максимальную отдачу от собранных материалов."

Переработка отходов предоставляет обществу повсюду "обмануть" проблему их утилизации и, следовательно, за счет затрат на переработку облегчить экологические стрессы. Переработка металлических, бумажных, стеклянных, пластмассовых и органических отходов уменьшает потребности в энергии и сырье. Так, при производстве алюминия из скрапа вместо бокситов затраты энергии и загрязнение воздуха уменьшаются на 95 %. Получение бумаги из макулатуры вместо древесины не только спасает от вырубки ценные леса, но и на три четверти сокращает расход энергии на производство 1 т бумаги, требует лишь половины объема воды, потребляемой при использовании древесного сырья. Затраты энергии и материалов, общее загрязнение могут быть радикально снижены при условии сокращения количества отходов, посредством поощрения полного использования сырья и переработки, путем превращения отходов в новую продукцию.

Благодаря уменьшению расхода энергии, получаемой в основном из ископаемого топлива, переработка отходов становится одним из наиболее эффективных методов сдерживания концентрации газов, способствующих парниковому эффекту, и сокращения загрязнений, составляющий которых ведут к образованию кислотных дождей. Продукты сгорания ископаемого топлива нарушают хрупкий баланс газов в атмосфере, что, как утверждают ученые, может вызвать глобальное повышение температуры и поднятия уровня океана - в случае увеличения доли оксида углерода в атмосфере. В результате действия загрязнителей, кислотных дождей и продуктов сгорания природного топлива уже повреждены 19 млн. га лесов в Северной и Центральной Европе, это - территория, примерно равная Восточной Германии и Австрии, вместе взятым, и это же - тысячи мертвых озер на индустриальном Севере. Изменение отношения к потреблению и утилизации отходов поможет также ужасающие и возможно даже необратимые изменения в биосфере. Широко используемые продукты - такие, как пенящиеся средства и аэрозольные распылители, содержат вещества, которые способны нейтрализовать озон в стратосфере, защищающий землю от опасных ультрафиолетовых лучей. Утоньшение озонового слоя способно вызвать беспрецедентный рост количества кожно-раковых заболеваний. Замена озонразрушающих материалов более безопасными устранит одну из самых сильных экологических опасностей.

Загрязняющие тяжелыми металлами атмосферу мусоросжигающие печи и красящие вещества вредят урожаю и здоровью людей. Переработка отходов сокращает потребность в загрязняющих окружающую среду печах для сжигания мусора, а красители и пигменты могут быть сделаны более безопасными для экологии. Люди не беспомощны перед лицом этого комплекса проблем. Сокращая количество прямых отходов производства и перерабатывая большую часть отходов, люди становятся частью решения данной проблемы. Но сами по себе они (потребители) не могут произвести желаемых изменений. Им нужна помощь предприятий, способных и стремящихся производить продукцию, приспособленную к дальнейшей переработке, и правительства, способных и стремящихся изменить прежнюю практику утилизации отходов. Общие решения по утилизации отходов, принятые местными и национальными правительствами, влияют на глобальное использование энергии, уровень теплоты в атмосфере и степень загрязнения окружающей среды. От того, насколько сплоченно будут действовать люди и нации, чтобы сохранить сырье и энергетические ресурсы, и будет зависеть уровень глобального изменения окружающей среды.

Во многих местах в мире стратегия переработки отходов не получает поддержку из-за предрассудков против уже использованных материалов и продуктов, содержащих их. Из-за того, что кампания по сбору отходов началась как мера по защите здоровья, многие ошибочно считают вещи, бывшие в употреблении, опасными и грязными. Напротив, многие материалы находятся в употреблении именно из-за их долговечности и надежности. ношение вещей, печать на пишущей машинке не делают эти вещи неиспользованными. Утилизация путем переработки мировых отходов приведет к тому, что в дальнейшем уже использованного металла будет применяться больше, чем имеется в богатейших месторождениях, бумаги - столько, сколько можно было бы получить из миллионов га лесов, и пластмассы содержащие высоко переработанные химикаты. И тот факт, что эту продукцию, очень дорогую по содержанию сырья и энергоемкую, часто считают бесполезной, показывает извращенность экономической системы. Мы просто выбрасываем наше будущее.

1. Проблемы городских отходов

Растущее население, увеличивающиеся доходы и изменение структуры потребления усложняют решение проблемы утилизации отходов. Количество мусора увеличивается, города растут, так называемые потребители зарабатывают больше денег, увеличивают потребление еды, воды и так называемых товаров длительного пользования, тогда как растущий спрос и большая доступность стимулирует продажу товаров, которые просты в обращении, но - с большим удельным содержанием упаковок. В большинстве регионов в мире способность к эффективному решению проблемы отходов далеко отстает от темпов их роста. До эры агломераций утилизация отходов была облегчена благодаря всасывающей способности окружающей среды: земли и воды. Крестьяне, отправляя свою продукцию с поля сразу к столу, обходясь без переработки, упаковки, рекламы и торговой сети, привносили мало отходов. Овощные очистки и тому подобное скармливалось или использовалось в виде навоза как удобрение почвы для урожая будущего года. Передвижение в города привело к совершенно потребительской структуре. Продукцию стали обменивать, а значит, упаковывать для большего удобства.

Индустриальное общество с низким процентом сельского населения и высокими доходами производит на свет больше отходов, чем развивающиеся страны. Нью-йоркцы, например, выбрасывают в отходы в 9 раз больше своего веса, а манильцы - в 2,5 раза больше своего веса. Одной из причин является то, что продукты в Нью-Йорк доставляются из-за сотен и даже тысяч километров и потому удельный вес упаковки, сохраняющей свежесть и привлекательность продукции, гораздо больше, чем на сельском рынке. Вдобавок низкие доходы в расчете на одного жителя в странах третьего мира заставляют жителей бережно относиться с целью удержания в рамках своего бюджета. Около одного из десяти долларов, составляющих стоимость продуктов, американцы платят за их упаковку. Предварительные 3данные, представленные американским департаментом по сельскому хозяйству, показывают, что в 1986 г. на упаковку было израсходовано больше, чем составила чистая прибыль самих фермеров. На 1987 г. запланированные суммы на упаковку составили 26 млрд. долларов.

Чем больше женщин вносят свой труд и управленческие способности в коммерческие предприятия, тем больше становится спрос на доступность товаров в доме. Разного рода полуфабрикаты и готовые к употреблению товары обычно вытесняют домашнюю кухню. А такая еда хотя и сокращает органические отходы в домашнем хозяйстве, но зато ее остатки просто выбрасывают. Иными словами, поток мусора увеличивается из-за большего количества упаковок и материалов, используемых в рекламных целях. Транспортировка сельскохозяйственной продукции на переработку и упаковку способствует также увеличению расхода энергии на перевозка товара на рынок. Понимание потребителем влияния выбора покупки на объем отходов и необходимости их утилизации пока проявляется медленно. В промышленно развитых странах вес упаковки составляет около 30 %, а по объему - 50 % всех домашних отходов. Большую часть остальных отходов составляют пищевые и дворовые. Бумага составляет примерно половину упаковочных материалов, затем следует стекло, металл и пластик. Средний американец выбрасывает около 300 кг упаковочных материалов в год. За последние 30 лет нью-йоркцы удвоили потребление упаковки, и в 1996 г. ожидается потребление 400 кг на человека. В США более половины всей произведенной бумаги и стекла и около одной трети всей пластмассы содержатся в изделиях, срок службы которых составляет менее одного года. Производство этих упаковочных материалов потребляет около 3 % всего национального энергетического бюджета.

Доля пластика в упаковке с незначительного объема в шестидесятых годах выросла особенно быстро. Напитки, растительные масла, чистящие средства, парфюмерия теперь имеют пластмассовые упаковки. Действительно, сейчас стало очень трудно купить их в традиционной стеклянной емкости. Следующей целью производителей пластика становятся жестяные банки. Таким образом, не только растет количество упаковки, но и меняются материалы, используемые в ее производстве. Растет доля пластиков в общей массе отходов, а их не просто утилизировать с тем чтобы использовать заново. Индустрия прохладительных напитков, демонстрируя изменение компонентов упаковки и повышение доступности своих товаров, все больше "раздувает" мусорные ящики в домах. До 1975 г. бутылочные контейнеры доминировали на мировом рынке контейнеров для напитков. Оставшуюся часть составляли алюминиевые и стальные банки и одноразовые бутылки. К 1981 г. это соотношение изменилось в пользу одноразовых емкостей.

За это время потребление безалкогольных напитков увеличилось на 56 %. И с тех пор на рынках США всевозможные стеклянные бутылки стали заменять алюминиевыми и пластиковыми банками. К 1985 г. они имели уже 69 % всего рынка и оставляли стеклянным лишь 16 %. Банки из-под газированных напитков составляют 5 % домашних отходов. Алюминий очень редкий металл, и его очень трудно очистить от примесей. Лишь когда в 1820-х годах датские и немецкие ученые научились его перерабатывать, он стал ценным материалом. Его стоимость была 1200 долларов за килограмм, он был дороже золота. С тех пор, как алюминий был использован в игрушке для сына Наполеона, его распространение росло очень быстро. Впервые появившись в 1983 г., 355-миллилитровая банка выросла в крупнейшего потребителя алюминия, поглощающего 22% всего импорта алюминия в США. В 1963 г. в США использовалось 11,5 млрд. металлических банок, из них 11,4 млрд. были стальными. К 1985 г8 выпускалось более 70 млрд. банок для газированных напитков, и уже 66 % были алюминиевыми.

Внедрение дешевой нефтехимической продукции и новых технологий возвестили о наступлении века пластика. Двухлитровые бутылки, представленные впервые в 1978 г., теперь составляют 22 общего объема продаж безалкогольных напитков в США. Если сравнить по весу, то пластика сейчас выпускается в несколько раз больше, чем алюминия и всех других не цветных металлов, вместе взятых. Их продажи растут по 5 % в год, начиная с 1977 г. Бутылки для кетчупа, пакетики для супа и упаковки для мороженого должны быть легкими, небьющимися и биологически неактивными - т.е. пластиковыми. Хотя неосведомленный человек думает, что существует лишь один вид пластика, имеющий разное применение, на самом деле различают около 46 различных типов пластиков, находящихся в повседневном пользовании. Одна сдавливающаяся бутылка из-под кетчупа состоит из 6 видов пластика, имеющих разное назначение: придание формы, плотности, эластичности и герметичности. К сожалению, лишь немногие процессы переработки можно применить для получения более чем одного вида пластика одновременно. А при тех, что пригодны для этих целей, вырабатывается пластик более низкого качества, чем полученный как сырье переработки.

2. Удобрения из отходов городского хозяйства

Длинноволокнистая бумажная масса и удобрения с контролируемым временем подачи питательных элементов в почву могут быть получены по этому методу с высокой эффективностью и экономичностью.

Твердые отходы после удаления железосодержащих материалов, стекла н других предметов подвергаются звуковой обработке, не приводящей к разрушению волокон. Процесс идет с использованием химикатов, которыэ затем фосфатируются или ксантогенируются и в результате осаждения солей удаляют из бумажной массы чернила, восковые и другие покрытия, что позволяет получить удобрения с ценным набором питательных веществ н контролируемым временем выхода их в почву, а в качестве второго основного продукта -- высококачественную бумажную массу.

Как показано на рис. 55, верхний поток из отстойника (не показан), содержащий около 40 % исходного перерабатываемого отхода, в состав которого входит около 88 % бумаги и около 2 % других горючих веществ, например полимерных пленок и пластмасс, обрабатывается в нескольких последовательных и параллельных стадиях с образованием удобрений и длинноволокнистой бумажной массы.

Поток сырья подается в реакторы, в которых чернила, восковые покрытия и масла всплывают, отделяются от волокон и осаждаются при взаимодействии с добавками химических реагентов. Разрушение массы бумаги осуществляется в результате генерации ударных волн в реакторе /. Реактор представляет собой вертикальный цилиндр, открытый в верхней части, куда подается сырье, химические добавки и вода. Вблизи его дна находится большой вращающийся диск с лопатками по периметру. При вращении диска с большой скоростью в жидкости возникает кавитация. Минимальная скорость движения лопатки по окружности составляет 43,5 м/с. Возможность разрыва волокон сводится к минимуму, так как лопатки имеют относительно малые размеры. При высокой скорости вращения диска создаются ударные волны, которые разрушают бумагу без разрыва волокон. В ходе процесса не происходит разрушения неволокнистых материалов (полимерных пленок, пластмасс), что облегчает разделение волокнистой бумажной массы и полимерных материалов.

Химические добавки в этом процессе выполняют двойную функцию: удаляют чернила, восковые покрытия, смазки и другие загрязнения, а также при последующем взаимодействии с фосфатами образует осадки, являющиеся компонентами удобрений.

Осуществление данного способа иллюстрируется следующим примером. В реактор 1 загружается 1350 кг жидкости из верхней части отстойника, содержащей около 61,3 % от общего количества перерабатываемых отходов, из них более 95 % составляет бумага и изделия из нее.

Величина рН Этой смеси около 12 за счет Доломитового молока и может быть понижена до рН -- 9,5+ 10 добавлением кислот (серной, фосфорной, азотной).

В реактор сначала добавляется вода, затем вводится сырье (верхний слой из отстойника) и начинается перемешивание, через некоторое время вводятся химические добавки Реактор работает около 12 мин. В последние 2 мин в реактор вводится 180 т воды и одновременно открывается расположенное в нижней части отверстие, в результате чего вся масса выпускается в резервуар 2. Начальная консистентность подаваемой массы равна примерно 5 %, в емкости 2 она составляет около 3 /о.

Затем добавляется дополнительное количество воды для снижения консистентное™ до 0,5 % и суспензия проходит через сито 16 с отверстиями 2 меш, где удаляются ткани пленки резина, кожа (общее количество около 31 кг). Прошедший через сито материал направляется для предварительной очистки в циклон 18, где удаляются частицы стекла, песок, термопласты, керамика и другие компоненты, которые выпадают на дно. Далее поток проходит под давлением через сито 5 для удаления крупнозернистых порошков и небольших количеств неразмельченной бумаги. Затем по линии 18 раствор подается на шнековый пресс, где его консистенция увеличивается до 40 %, а отделяемая жидкость направляется в резервуар температура в котором составляет 60 °С.

В резервуар вводится 850 кг фосфорной кислоты (52% раствор), что приводит к снижению рН до 7,5 и вызывает интенсивное выпадение осадка. Содержимое резервуара перекачивается в отстойник со шнековым выводом для удаления твердого осадка, который вместе с осадком, отделенным на стадии центрифугирования, направляется по липин 22 в смеситель 6. Туда же добавляется 120 кг сульфата калия; смеситель обогревается паром для сушки продукта.

Содержимое смесителя далее измельчается в мельнице 24 до размера ~20 меш, в результате чего получается 930 кг готового удобрения со средним содержанием элементов: 7 % N₂, 40 % Р₂0₆, 6 % К, 15 % MgO, 1,67 % S. Удобрение содержит также около 6,5 % чернил, восков, покрытий, адгезионные добавки, которые выпадают при осаждении вместе с основным осадком; ни один из этих компонентов не загрязняет почву.

Вместо смесителя 30 для сушки могут использоваться и другие устройства. Вместо доломитового молока (эквимолекулярная смесь карбонатов кальция и магния) можно использовать CaO, MgO, СаСО₃ или их смеси.

3. Переработка фосфогипса в удобрения

В городском мусоре содержится большое количество бытовых отходов органического происхождения: пищевые отходы, остатки бумаги, тканей, древесины и т.п. В ТБО содержится в пересчете на сухое вещество 0,6-0,7 %N; 0,8 % К2О; 0,5-0,6 % Р2О5, до 7-9 % СаО и многие микроэлементы [1,2]. Причем, необходимо отметить, что повышенное накопление бытовых отходов растительного происхождения отмечается в летне-осенний период - это опад листьев и плодоовощные отходы.

Способ переработки ТБО и получения органо-минеральных удобрений экологически безопасный, не требует значительных затрат энергии и средств, потому что базируется на использовании уже известных производственных линий, которые работают в других сферах отечественной промышленности.

Предложенный нами "Способ получения смеси для повышения плодородия почв на основе твердых бытовых отходов" можно успешно использовать для переработки в органо-минеральное удобрение не только ТБО, а и опад листьев (веток), которые вывозятся на свалки из городов и населенных пунктов в осенне-весенний период. Это позволит за короткое время не только переработать опад в удобрение, но и вернуть в виде органо-минерального удобрения (ОМУ) в почвы.

Принцип "способа" состоит в следующем (схема): предварительно отсепарированные ТБО, засыпаются в специальную емкость и заливаются катализатором с последующим перемешиванием (процесс может проходить при атмосферном давлении). При проведении "мокрого" сжигания выделяется определенное количество тепла (нагрев может доходить до +180°С), часть которого используется для дальнейшего подсушивания произведенных удобрений, а остальная может быть использована для хозяйственных нужд. "Мокрое" сжигание проводится от 1 до 24 часов в зависимости от массы бытовых отходов, тонины размола их во время сепарации и содержания в них органических ингредиентов, как по качеству, так и по размерам фракций. Находящиеся в отходах возбудители различных инфекционных заболеваний и яйца гельминтов полностью погибают от высокой температуры и агрессивной среды, что дает возможность получить условно стерильное вещество. После завершения первой стадии переработки, необходимо приступить ко второй - нейтрализации избытка катализатора, которая проводится любым известковым или известьсодержащим материалом (известью, дефекатом, известняком и т.д.). Кроме этого необходимо проводить добавки лессом или лессовидным суглинком, которые содержат кроме карбонатов кальция, вторичные коллоидно-дисперсные минералы типа каолинита и монтмориллонита. Последние, имеют свойство необменно фиксировать подвижные формы тяжелых металлов, переводя их в неподвижные формы, путем закрепления их в кристаллической решетке. Процесс нейтрализации происходит с обильным выделением углекислого газа, который можно конденсировать и использовать для технических нужд.

Полученная таким образом органо-минеральная смесь содержит в себе (в пересчете на сухое вещество) 0,6-1,2 % N; 0,8-1,0 % K2O; 0,5-0,9 % P2O5; до 20 % СаО, лигнин и глинистые минералы.

Проведенные исследования показали, что использование органо-минеральных удобрений в качестве органических удобрений дает несколько положительных моментов. Во-первых, органо-минеральное удобрение содержит довольно большое количество свежего лигнина, который является как медленнодействующим источником элементов минерального питания, так и источником для образования гумуса, средой для развития микроорганизмов, а значит надежным источником питательных веществ для растений. Во-вторых, содержащийся в органо-минеральных удобрениях кальций, с одной стороны, способствует закреплению органических веществ в почве, а с другой является источником пополнения почвы кальцием, т.е. обеспечивает благоприятные условия для формирования оптимальных водно-физических свойств почвы. В-третьих, в органо-минеральных удобрениях содержится определенное количество подвижных питательных веществ, макро- и микроэлементов, необходимых для растений. В-четвертых, использование органо-минеральных удобрений, содержащих до 6 % органического углерода, позволит решить одну из важнейших проблем современного сельскохозяйственного производства - обеспечение бездефицитного баланса гумуса в почве. В-пятых, полученная смесь может быть использована как универсальный мелиорант, потому что в процессе нейтрализации возможно спланировать получение удобрения с различной реакцией среды и с различным содержанием кальция, который является основным мелиорирующим компонентом применяемым в мире мелиорантов. Если органо-минеральное удобрение планируется вносить на солонцеватых почвах, то программируется получение подкисленной смеси, содержащей СаSO4, а если на кислых почвах - то соответственно слабощелочной, насыщенной СаСОз.

Проведенные исследования на сельскохозяйственных культурах (озимая пшеница, салат, кормовая свекла), как в лабораторных, вегетационных опытах, так и в полевых везде статистически обоснованно показали на прирост урожая. Также были проведены опыты и в лесном питомнике на культуре дуб красный, где также были зафиксированы значительные положительные изменения в приросте в высоту сеянцев дуба.

Изучение влияния полученных органо-минеральных удобрений на окружающую среду показывает их эффективность и с экологических позиций [3]. Применение таких удобрений снижает вынос особо опасных в отношении загрязнения водных источников нитратных ионов. Аммонийный ион полностью задерживается в верхних слоях метровой толщи почвы. По-видимому, это происходит в основном за счет содержания в органо-минеральных удобрениях лигнина (30-50 %), который фиксирует подвижный аммоний.

Применение органо-минеральных удобрений может быть перспективно на нарушенных землях (заброшенные терриконы, отвалы глинодобывающих заводов, предприятий, занимающихся добычей руды открытым способом, на склонах балок и т.д.), т.е. для их рекультивации.

Таким образом, предлагаемый нами способ позволяет из накопившегося (завалявшегося) сырья синтезировать новое универсальное вещество, которое может быть использовано одновременно, как органо-минеральное удобрение, так и универсальный мелиорант со свойствами медленнодействующего удобрения, который может использоваться на любых почвах, на нарушенных грунтах, в лесных питомниках и т.д.

При оценке предлагаемого способа переработки ТБО в органо-минеральное удобрение-мелиорант необходимо обратить внимание на технологический, социальный и финансово-экономический аспекты решения проблемы. С точки зрения технологии переработки бытовых отходов для предложенного способа: а) не требуется больших энергозатрат и использования дорогостоящего специального оборудования; для этой цели могут быть задействованы линии отечественного производства, которые уже используются в других сферах деятельности; б) в процессе переработки используются недорогие материалы (реактивы) отечественного производства а также, отходы пищевой, перерабатывающей и тяжелой промышленности, которые сами по себе подлежат утилизации; в) процесс переработки длится от 1 до 24 часов, в зависимости от состава и крупности бытовых отходов, полностью контролируется и дает возможность получать органо-минеральное удобрение с необходимыми свойствами и показателями; г) возможность организации производства непрерывного действия и замкнутого цикла; д) конечный продукт - органо-минеральное удобрение - ликвидный; е) побочными продуктами в процессе переработки являются СО2 и тепло, которые также могут быть использованы для хозяйственных и производственных нужд; ж) полученное органо-минеральное удобрение является экологически чистым.

Социальный аспект: а) быстрая и экологически безопасная переработка органической части бытовых отходов дает возможность замкнуть цепь безотходного цикла в утилизации бытового мусора и вторичного использования его в виде универсального органо-минерального удобрения, что существенно повлияет на улучшения состояния окружающей среды и решения одной из главных проблем человечества; б) получение универсального мелиоранта с регулируемыми свойствами существенно расширяет возможности и сферы его использования. Прежде всего это - сельское и лесное хозяйство, мелиорация солонцов и солончаков, которые занимают огромные территории на юге Украины, земель с плохими водно-физическими свойствами, освоение техногенно-нарушенных земель, (биологическая рекультивация в районах открытой добычи полезных ископаемых, шлако- и шламохранилищ, образовавшихся в результате деятельности горнообогатительных предприятий и тепловых электростанций,

4. Разработка способа переработки фосфогипса в полезные продукты

В настоящее время существует два основных направления удаления фосфогипса: сброс в реки или моря и сооружение специальных отвалов на суше. Отвалы фосфогипса загрязняют вредными веществами атмосферный воздух, подземные и поверхностные воды, почвенно-растительный покров. Фосфогипс используется в незначительном количестве в сельском хозяйстве для внесения в почву, в цементной промышленности при производстве цемента, при строительстве гаражей, складов, дорог, для изготовления теплоизоляции и др. При термической и химической переработке фосфогипса получают серную кислоту и некоторые соли.

Фосфогипс - полудисперсный материал серо-белого цвета, представленный агрегатами частиц, комками с межагрегатными пустотами. Фосфогипс содержит примеси неорганических и органических соединений, водно-растворимых и водно-нерастворимых, адсорбированных на поверхности кристаллов и встроенных в кристаллическую решетку. Кроме того, в фосфогипсе могут содержаться радиоактивные вещества и редкоземельные элементы (РЗЭ). Так, в фосфогипсе из хибинских апатитов содержится: CaO -39 - 40 %; SO₃ -56 -57 %; P₂O₅ общ -1,0 - 1,2 %; P₂O₅вод -0,5 - 0,6 %; R₂O₃ -0,5 - 0,6 %; F - 0,3 - 0,4 %; нерастворимого осадка -0,7 - 0,8 % [1].

Одним из способов использования фосфогипса в народном хозяйстве может быть его конверсия в сульфат аммония и карбонат кальция по реакции:

CaSO₄. 2H₂O + (NH₄)₂CO₃ ® CaCO₃ + (NH₄)₂SO₄ + H₂O.

Этот способ был реализован в промышленном масштабе еще в начале нашего века. Однако присутствие в фосфогипсе неотмытой фосфорной кислоты и других примесей не позволяет получать крупные, хорошо фильтрующиеся кристаллы карбоната кальция, т.е. фильтрование CaCO3 остается наиболее трудной операцией процесса, т.к. образуются мелкие кристаллы, отсутствуют друзы и агрегаты, а осадок проявляет тиксотропные свойства, производительность фильтрования низкая, а отмывка осадка затруднена.

Интерес к процессу (1) сейчас возрос в связи с ростом потребностей в таких веществах, как сульфат аммония, карбонат кальция и редкоземельные элементы. Сульфат аммония используется не только как азотсодержащее удобрение, но и как промежуточный продукт при азотно-кислотном разложении фосфатов (так называемые сульфатные циклы). Получение чистого мела из фосфогипса актуально для широкого использования в производствах пластмасс, бумаги, лаков, красок. При перекристаллизации карбоната кальция в осадок выделяется концентрат РЗЭ, который может быть переработан на специальных заводах для выделения La, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb и др. Фосфогипс - неограниченная сырьевая база для получения РЗЭ.

В зависимости от способа введения карбоната аммония процесс конверсии по уравнению (1) может быть жидкостным, газовым или газожидкостным. Способ жидкостной конверсии предполагает предварительную стадию приготовления раствора карбоната аммония в отдельном аппарате по реакции:

2NH₃ + CO₂ + H₂O ® (NH₄)2CO₃ - Q.

В процессе газовой конверсии реакцию (2) проводят в водной суспензии фосфогипса при одновременном введении в нее аммиака и оксида углерода (1V).

Газожидкостный способ основан на использовании как раствора карбоната аммония, так и газообразных компонентов [1, 2]. В реактор конверсии фосфогипса помимо готового раствора (NH₄)₂CO₃ подают газообразные реагенты (NH₃, CO₂) в количестве 10-15 % от стехиометрической нормы на CaO фосфогипса. При этом тепло, выделяющееся при взаимодействии газообразных реагентов, компенсирует потребность в энергии процесса с учетом обеспечения температуры реакции 50-55^oС; иными словами, обеспечиваются изотермические условия процесса конверсии фосфогипса.

Блок-схема комплексной переработки фосфогипса в сульфат аммония и карбонат кальция с извлечением РЗЭ представлена на рисунке. Отмытый фосфогипс превращается на стадии конверсии в раствор сульфата аммония и осадок CaCO3. Осадок после сушки прокаливается и превращается в фосфоизвесть, которая затем растворяется и проходит взаимодействие с хлористым аммонием. В осадок, выделяемый на этой стадии, переходят соединения стронция и РЗЭ. Хлористый кальций превращается, взаимодействуя с карбонатом аммония, в CaCO₃, а раствор NH₄Cl возвращается в цикл.

Основным недостатком этого способа является циркуляция в системе газообразных NH₃ и CO₂, выделение которых из газовых потоков требует мощного абсорбционного оборудования, а также систем очистки газов, выбрасываемых в атмосферу. При комбинировании производства углеаммонийных солей (УАС) и переработки фосфогипса значительно упрощается процесс, полностью исключается переработка газовой фазы. Для конверсии фосфогипса используется раствор (NH₄)₂CO₃.

Для выбора оптимальных условий проведения процесса конверсии стояла задача установить влияние температуры, избытка и концентрации (NH₄)₂CO₃, времени протекания процесса, интенсивности перемешивания и различных примесей на степень конверсии.

Температура процесса конверсии по данным многих исследований принимается не выше 50-55^oС, т.к. при больших температурах наблюдается разложение карбоната аммония, а NH₃ и СO₂ переходят в газовую фазу, снижая эффективность процесса. Исследована реакция фосфогипса с карбонатом аммония и карбонатом натрия [5]. Однако здесь представляло интерес определение максимального содержания SrO в карбонате кальция, а не степень конверсии. Кроме того, изучалось влияние загрязнений (Sr, Fe, Si, Al, Ti) в отходе производства фосфорной кислоты - сульфате кальция на степень превращения его в карбонат кальция [6]. Утверждается, что содержание Sr и Si в гипсе повышает степень конверсии, а содержание Ti - снижает. Примеси Fe и Al не влияют на этот процесс. Конверсия фосфогипса в лабораторных условиях проводилась на экспериментальной установке, основным элементом которой служил реактор с мешалкой. Реактор помещался в термостат, с помощью которого в нем поддерживалась заданная температура. В качестве сырья использовался фосфогипс, выделившийся при производстве ЭФК, отмытый от P₂O₅ до рН=4,4. Для облегчения дозирования фосфогипс перед опытом сушили до постоянного веса. Конверсию проводили раствором карбоната аммония концентрацией 30 % масс. В реактор помещался раствор карбоната аммония и его температура доводилась до заданной (например, 50^oС). В раствор в сухом виде вводился фосфогипс. Скорость вращения мешалки 510 об/мин, время конверсии составляло 120 мин. После реакции вся пульпа сушилась до постоянного веса при температуре 100^oС. После измельчения и усреднения пробы проводили анализ продукта на содержание SO_3о и SO_3в весовым методом.

Коэффициент конверсии вычислялся по соотношению:

,

где 0,735 - карбонатное число;

SO_3ф, SO_3о, SO_3в - концентрация сульфат-иона в фосфогипсе и в карбонатном шламе (общая и водорастворимая), соответственно.

Все концентрации SO₃ взяты в пересчете на абсолютно сухое вещество. Содержание SO₃ в исходном фосфогипсе составило 55,14 %. По полученным результатам исследований степень разложения фосфогипса (в условиях t = 50^oС, избыток карбоната аммония - 30 % от стехиометрии, концентрация раствора (NH₄)₂CO₃ - 30 %, интенсивность перемешивания - 510 об/мин, время реакции - 120 мин) практически приближается к 100 %. Некоторое отклонение коэффициента конверсии от 100 % связано с неэффективной работой мешалки, установленной в реакторе. Использование ячеистых мешалок позволяет резко увеличить эффективность перемешивания, сократить время реакции в 1,5-3 раза, снизить потребление электроэнергии на привод.