Перспективные способы переработки отходов различных отраслей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективные способы переработки отходов различных отраслей

Введение

окружающий среда отходы переработка

Проблема переработки органических отходов. Актуальные аспекты утилизации органических отходов с использованием методов биоконверсии в проблеме охраны окружающей среды. Современные биогазовые технологии - перспективный метод решения проблем агропромышленного комплекса. Анаэробная переработка отходов животноводства и растениеводства приводит к минерализации основных компонентов удобрений. Обеззараживание отходов животноводства и растениеводства. Производство топливного биогаза, биометана и электроэнергии. Классификация отходов. Отходы производства. Отходы потребления. Промышленные отходы. Бытовые отходы. Радиоактивные отходы. Возможные направления использования отходов производства. Утилизация промышленных отходов. Методы технологии и концепции утилизации углеродосодержащих промышленных и твердых бытовых отходов. Источники углеродсодержащих отходов. Методы утилизации углеродсодержащих отходов. Технологии утилизации углеродсодержаших отходов. Технологии, основанные на химических методах обезвреживания. Технологии биологического обезвреживания. Технологии основанные на электрохимических методах.

Современные биогазовые технологии - перспективный метод решения экологических проблем агропромышленного комплекса.

1.Перспективы создания биоэнергетической индустрии переработки сельскохозяйственных отходов

Основной отраслью агропромышленного комплекса Российской Федерации является животноводство, которое специализируется на разведении крупного рогатого скота, свиноводстве и птицеводстве. По данным на январь 2010 года поголовье крупного рогатого скота составляет 9275,9 тыс. голов, свиней - 11021,4 тыс. голов, птицы - 344480,8 тыс. голов [1].

В Российской Федерации в результате жизнедеятельности деятельности предприятий животноводства ежегодно скапливается большое количество отходов:

- крупного рогатого скота и свиноводства - 349,7 млн. т

- птицеводства - 23,1 млн. т.

Белгородская область является одним из наиболее динамично развивающихся регионов страны. Товары животноводства составляют порядка 70  от всей продукции сельского хозяйства области. Ниже представлена таблица численности КРС, свиней и птицы по Белгородской области.

В таблице 1 представлены данные о поголовье скота и птиц

Таблица 1. Данные по крупным, средним и малым сельскохозяйственным организациям Белгородской области

Поголовье скота и птицы на конец отчетного периода, тыс. голов	январь 2010 года
крупного рогатого скота	184.4
свиней	2046.4
птицы	38828.0

К 2012 году ожидается увеличение объема отходов до 11,5 млн тонн. В результате регион сталкивается с серьезной экологической проблемой - утилизацией отходов животноводства и птицеводства. На сегодняшний день данная проблема имеет приоритетный характер и требует принятия энергичных мер.

Такая же ситуация складывается и в других регионах Российской Федерации с развитым животноводством.

Традиционные способы использования отходов животноводства и растениеводства, применяемые в настоящее время в сельском хозяйстве России, ограничиваются получением из них путем естественного перегнивания органических удобрений в виде перегноя. Свиноводческие отходы до сих пор не находят квалифицированного применения даже в виде удобрений и создают значительные экологические и технические сложности при их хранении и утилизации.

Расчетные данные показывают, что на территории России ежегодно образуется значительное количество отходов растениеводства и животноводства. Только отходы животноводства (около 650 млн т/г) по своей удобрительной ценности эквивалентны 65 % объема удобрений, необходимых для сельского хозяйства страны. Однако этот огромный потенциал используется не более чем на 25 %. При этом образующиеся отходы наносят значительный вред окружающей природной среде.

При переработке таких отходов используют различные методы: утилизация с помощью вермикультуры, сжигание, получение компоста, складирование в течение трех лет, а затем внесение на поля с целью повышения плодородия почв. Одним из перспективных способов является анаэробная переработка отходов в биореакторе с последующим получением биогаза и биоудобрений.

Одним из наиболее перспективных, если не сказать единственным, на сегодняшний день вариантом решения этой проблемы является биотехнологическая переработка сельскохозяйственных отходов в высококачественные экологически чистые удобрения и топливный биогаз.

В процессе сбраживания в анаэробных условиях отходы превращаются в высококачественные удобрения, в которых потери азота сокращаются с 50-60 % (при традиционном способе) до 1-2 %. При этом значительная часть трудно усвояемых соединений азота переходит в доступную для питания корневой системы растений форму, вследствие чего коэффициент использования азота достигает 80 % по сравнению с 25-30 % для перегноя. Одновременно с этим происходит полная минерализация фосфора и обеспечивается сохранность калия, за счет чего урожайность зерновых и картофеля повышается на 25-30 %, а многолетних трав с 28-30 до 45-50 ц/га. Помимо этого, высушенный и гранулированный биошлам содержит аминокислоты и витамины группы В и может быть использован в качестве кормовой добавки.

При метановом сбраживании отходов в условиях термофильного режима уничтожаются семена сорных растений и возбудители инфекционных заболеваний и фитофторы, что способствует очищению полей от сорняков, а также улучшению санитарно-гигиенического состояния животноводческих хозяйств.

Одновременно с получением удобрений из 1 т сухого навоза при оптимальных условиях можно получить 350 м3 метансодержащего (60-65 % СН4) биогаза, что в пересчете на одну голову крупного рогатого скота составляет около 2,5 м3/сут, а в течение года - 900 м3 газообразного экологически чистого топлива. В пересчете на традиционное моторное топливо одна корова кроме молока позволяет получать ежегодно около 600 л бензина.

Еще одним ценным видом продукции, которую можно получать из биогаза, является так называемый биометан. Использование биометана, получаемого путем очистки биогаза от СО2, в качестве газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания показало, что выброс токсичных веществ по сравнению с бензином снижается: по СО в 5-10 раз, оксидам азота в 1,5-2,5 раза. (Возможные направления использования).

При переработке 1 т свежих отходов крупного рогатого скота и свиней (при влажности 85%) можно получить от 45 до 60 м3 биогаза, 1 т куриного помета (при влажности 75%) - до 100 м3 биогаза.

Основную часть биогаза составляет метан (55-85%) и углекислый газа (15-45%). В состав сероводорода. Его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 МДж/м.

По теплоте сгорания 1 м3 биогаза эквивалентен: 0,8 м3 природного газа, 0,7 кг мазута, 0,6 кг бензина, 1,5 кг дров (в абсолютно сухом состоянии), 3 кг навозных брикетов. Биогаз, как и природный газ, относится к наиболее чистым видам топлива.

Анаэробная переработка отходов животноводства и растениеводства приводит к минерализации основных компонентов удобрений (азота и фосфора) и их сохранению (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30-40% азота). Кроме того, процесс этого способа переработки занимает намного меньше времени по сравнению с традиционными (компостирование, складирование и др.

Отсутствие технологий обеззараживания животноводческих отходов приводит не только к загрязнению окружающей природной среды, но и к распространению инфекционных заболеваний среди людей и животных. По данным ФАО, экономический ущерб, причиняемый болезнями скоту в разных странах, составляет: в Германии - 12,5; США - 15,4; Англии - 15,7; Франции - 15,1, а Италии даже 19,0 % от годовой стоимости продукции животноводства. Вероятно, что в России эти показатели не меньше.

За рубежом проблеме получения и использования биогаза уделяют большое внимание. В качестве сырья для получения биогаза используют навоз крупного и мелкого рогатого скота, свиной навоз и птичий помет, органические бытовые отходы, стоки городских канализаций и даже человеческие экскременты. Во многих странах мира имеется значительное количество мелких и крупных промышленных установок по производству биогаза и их количество постоянно увеличивается. Так, если в 1980 году таких установок по получению биогаза насчитывалось около 8 млн штук (с суммарной мощностью около 3 млрд м3/г), то в настоящее время эти показатели соответствуют производительности только одной страны - Китая.

Во многих странах мира эксплуатируется широкий спектр установок, перерабатывающих органические отходы: от индивидуальных фермерских хозяйств (2-3 животных) до биоэнергетических комплексов для крупных животноводческих хозяйств (до 110 тыс животных). Биогазовые установки для фермерских хозяйств обеспечивают их потребность в энергии на 100 % летом и на 50 % зимой. Производительность биоэнергетических комплексов позволяет обеспечивать тепло- и электроэнергией не только собственные нужды, но и реализовывать их другим потребителям.

Перечисленные факторы позволяют сделать вывод о значительном экономическом и экологическом эффекте от внедрения технологий биопереработки отходов животноводства и растениеводства в сельскохозяйственном секторе России.

Актуальность поставленной задачи обусловлена необходимостью улучшения экологического и энергетического положения, повышения социально-экономического уровня и качества жизни и перспективного развития агропромышленного комплекса России.

Решение данной проблемы возможно только на основе комплексного научно-обоснованного подхода и при безусловной поддержке на региональном и федеральном уровне. Создание индустрии биопереработки органических отходов должно быть ориентировано на конкретного потребителя и разрабатываться на основе комплексного анализа имеющихся объемов и региональной плотности распределения отходов, необходимой номенклатуры и типоразмеров, а также структуры и емкости рынка биоустановок и биоэнергетических комплексов.

Создание индустрии биотехнологической переработки сельскохозяйственных отходов позволит решить следующие взаимосвязанные проблемы:

1) Экологическую - обеззараживание отходов животноводства и растениеводства.

2) Экономическую - получение высококачественных удобрений.

3) Энергетическую - производство топливного биогаза, биометана и электроэнергии.

4) Социальную - обеспечение занятости населения при производстве, строительстве и эксплуатации биоустановок и биоэнергетических комплексов.

Для решения данных экологических проблем нами предложена модернизированная установка для переработки органических отходов агропромышленного комплекса с последующим получением биогаза (рис. 1).

Основным элементом установки является биореактор, в котором происходит анаэробное брожение. Также установка содержит газгольдер, системы подготовки, подачи и слива субстрата, устройства перемешивания, подогрева, и средства автоматики.

Рис. 1 Схема биогазовой установки: 1 - источник отходов; 2 - система подготовки субстрата; 3 - биореактор; 4 - барботажное перемешивающее устройство; 5 - газгольдер; 6 - система сбора готового биоудобрения.

В отличие от известных ранее биогазовых установок технология переработки отходов производств АПК с последующим получением биогаза и биоудобрений в данном комплексе включает несколько стадий.

Сначала отходы поступают в систему подготовки субстрата, которая представляет собой емкость необходимого объема. Здесь происходит измельчение отходов, перемешивание и доведение до влажности 85-90 %.

Затем подготовленный субстрат подается в биореактор.

Закачка сырья в реактор осуществляется двумя способами: под действием силы тяжести и с помощью специального насоса. Первый способ простой и дешевый, но усложняется с ростом объема биореактора, поэтому применяется для малых установок. Для больших и средних установок применяют второй способ [4].

Биореакторпредставляет собой герметичную емкость, в которой происходит сбраживание органических отходов с получением биогаза [4].

Одним из условий интенсификации режима переработки отходов АПК является перемешивание перерабатываемой массы. В современных биореакторах применяют в основном два вида перемешивания: механическое с использованием вращательного движения и барботажное.

Другим не менее важным условием является поддержание оптимального температурного режима в биореакторе. На практике применяют два режима брожения: термофильный и мезофильный. Согласно первому, температура бродильной массы должна составлять 51-55 °С. Реакция при этом идет в два раза интенсивнее. Термофильный режим имеет преимущества с точки зрения экологии: болезнетворные организмы, семена сорняков уничтожаются практически полностью. Пропускная способность реактора повышается, что позволяет уменьшить объем реактора и снизить затраты.

При мезофильном режиме (30-40 °С) требования к точности поддержания температуры менее строгие. Но не всегда существует возможность применения этого режима с экологической точки зрения.

Температурный режим поддерживается при помощи системы обогрева биореактора. Рациональнее всего для подогрева использовать энергию сжигания биогаза, вырабатываемого установкой.

После брожения удобрение отводится из биореактора в специальную емкость. Из больших биогазовых реакторов перебродившую массу подают в емкость с использованием насосов.

На малых и средних установках биоудобрения поступают в емкость самотеком, поэтому необходимо располагать емкость несколько ниже патрубка слива готового удобрения из реактора. При этом система слива представляет собой канализационную трубу со специальным краном [4]. Если позволяет рельеф местности, то удобрение может поступать самотеком из реакторов любого объема в емкость для хранения.

Для непрерывного функционирования биогазовой установки устанавливают блок автоматики, который контролирует все параметры и поддерживает заданный температурный режим. Блок автоматики состоит из программируемого контроллера температуры и таймера. Термоконтроллер осуществляет управление системой подогрева биореактора. Таймер управляет работой электрического миксера при перемешивании субстрата в емкости для подготовки, насосами для подачи исходного субстрата и удаления готового удобрения из реактора, компрессора для подачи газа на барботирование.

Предложенная биогазовая установка за счет использования биореактора барботажного типа позволяет повысить интенсивность и качество переработки отходов АПК, варьировать объемы исходного субстрата и период брожения за счет выбора температурного режима. Применение современной системы автоматизации позволит сделать процесс непрерывным.

В настоящее время проведена серия опытов по математическому моделированию процесса получения биогаза, определены основные конструктивные и технологические параметры (влажность и температура субстрата, продолжительность процесса и интенсивность перемешивания биогаза).

Целью исследований является определение оптимальных параметров и режимов работы интенсивной технологии получения биогаза.

Методы технологии и концепции утилизации углеродосодержащих промышленных и твердых бытовых отходов

Проблема переработки органических отходов является одной из актуальных, поскольку продолжается накопление промышленных, бытовых и сельскохозяйственных загрязнениях, чуждых биосфере и не вписывающихся в естественных биологический круговорот. приводит к контаминированию воздуха, воды, земли и и отрицательно сказывается на здоровье человека.

Установлено, что в настоящее время каждая из величин - население Земли, объем промышленной продукции, промышленные отходы (у) - возрастает во времени (t) по экспоненциальному закону: y = Aet, и отличается лишь значением коэффициента А, определяющим крутизну этого роста. При этом загрязнение окружающей среды промышленными отходами, бытовым мусором и отбросами увеличивается быстрее, чем население планеты. Отсюда десятки миллиардов тонн промышленных отходов, сотни миллионов тонн бытовых отходов и мусора.

2.Классификация отходов. Отходы производства

окружающий среда отходы переработка

Добыча и переработка сырья, необходимого для производства энергии, различных материалов и в конечном итоге удовлетворения тех или иных потребностей общества, ведет к истощению природных ресурсов Земли, разрушению природных экосистем, нарушению биосферных процессов и невиданному загрязнению окружающей среды, в том числе в результате накопления отходов производства.

Характерное для современного мира расширение индустриального производства сопровождается использованием громадного количества сырья и энергетических ресурсов, направленным на производство материальных благ. При этом действует сложившийся веками стереотип, что именно экстенсивный рост промышленного производства определяет благосостояние общества; промышленное производство считается основой экономического развития и социально-экономического уровня жизни общества, а объем потребляемых сырья и ресурсов расценивается как показатель экономического процветания.

Отходы производства - все то, что образуется в процессе производства или после завершения его цикла, кроме продуктов в виде энергии или веществ - предметов производства.

Согласно этому определению к отходам производства относятся остатки многокомпонентного природного сырья после извлечения из него целевого продукта, например пустая рудная порода, вскрышная порода горных разработок, шлаки и зола тепловых электростанций, доменные шлаки и горелая земля опок металлургического производства, металлическая стружка машиностроительных предприятий и т. д. Кроме того, к ним относятся значительные отходы лесной, деревообрабатывающей, текстильной и других отраслей промышленности, дорожно-строительной индустрии и современного агропромышленного комплекса (навозохранилища, неиспользованные химические удобрения и пестициды, необустроенные кладбища погибших во время эпидемий животных и др.).

В принципе отходами производства являются и вещества, содержащиеся в отходящих технологических газах (дымовые) или в сточных водах предприятий, использующих воду в технологических процессах. Эти газообразные и жидкие виды отходов обычно рассматриваются в рамках экологических проблем загрязнения атмосферного воздуха и водного бассейна Земли и их охраны.

В промышленной экологии под отходами производства понимают отходы, находящиеся в твердом агрегатном состоянии (некоторые газообразные и жидкие отходы могут переходить в твердую фазу, например в фильтрах или отстойниках). То же относится и к отходам потребления - промышленным и бытовым (рис. 1).

Рис. 1. Классификация основных видов твердых отходов

В России ежегодно образуются около 7 млрд т отходов, в том числе более 3 млрд т вскрышных пород - отходов горнодобывающей отрасли промышленности, сотни миллионов тонн шлаков и золы тепловых электростанций и металлургических комбинатов и др. В этом отношении «впереди планеты всей» выступают США, где ежегодно производится не менее 11 млрд т твердых отходов (44 т на каждого жителя страны), за ними Канада, Австралия.

Образование, сбор, накопление, хранение и первичная обработка отходов является неотъемлемой составной частью технологических процессов, в ходе которых они образуются и должны быть отражены в технологических регламентах и другой нормативно технической документации. В соответствии с ГОСТ 30772-2001 отходы - это остатки продуктов или дополнительный продукт, образующиеся в процессе или по завершении определенной деятельности и не используемые в непосредственной связи с этой деятельностью. Под определенной деятельностью понимается производственная, исследовательская и другая деятельности, в том числе - потребление продукции. Соответственно различают отходы производства и отходы потребления. Вопросы обращения с отходами регулируется федеральным законом «Об отходах производства и потребления» и подзаконными актами.

Отходы производства - это остатки сырья, материалов, веществ, изделий, предметов, образовавшиеся в процессе производства продукции, выполнения работ (услуг) и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. Например: металлическая стружка, древесные опилки, бумажные обрезки и пр. К отходам производства также относят образующиеся в процессе производства попутные вещества, не находящие применения в данном производстве. Например: твердые вещества, улавливаемые при очистке отходящих технологических газов или сточных вод. Наряду с отходами производства на промышленных предприятиях образуются и отходы потребления, к которым относят в основном твердые, порошкообразные и пастообразные отходы (мусор, стеклобой, лом, макулатуру, пищевые отходы, тряпье и др.), образующиеся в результате жизнедеятельности работников предприятия.

3.Отходы потребления

Отходы потребления - остатки веществ, материалов, предметов, изделий, товаров (продукции или изделий), частично или полностью утративших свои первоначальные потребительские свойства для использования по прямому или косвенному назначению в результате физического или морального износа в процессах общественного или личного потребления (жизнедеятельности), использования или эксплуатации.

Примечания:

1. К отходам потребления относят полуфабрикаты, изделия (продукцию) или продукты, утратившие свои потребительские свойства, установленные в сопроводительной эксплуатационной документации.

2. К отходам потребления относят в основном твердые, порошкообразные и пастообразные отходы (мусор, стеклобой, лом, макулатуру, пищевые отходы, тряпье и др.), образующиеся в населенных пунктах в результате жизнедеятельности людей.

3. В последние годы к отходам потребления относят не только отходы потребления от домовладений (их иногда называют твердыми бытовыми отходами - ТБО), но и отходы, образующиеся в офисах, торговых предприятиях, мелких промышленных объектах, школах, больницах, других муниципальных учреждениях. Для указанных отходов часто используется термин "муниципальные отходы". 4. Отходы производства и потребления делят на используемые и неиспользуемые.

Промышленные отходы потребления - машины, станки и другое устаревшее оборудование предприятий.

Бытовые отходы - отходы, образующиеся в результате жизнедеятельности людей и удаляемые ими как нежелательные или бесполезные. К твердым бытовым отходам относят картон, газетную, упаковочную или потребительскую бумагу, всевозможную тару (деревянная, стеклянная, металлическая), вышедшие из употребления или утратившие потребительские свойства предметы и изделия из дерева, металла, кожи, стекла, пластмассы, текстиля и других материалов, сломанные или устаревшие бытовые приборы - мусор, а также сельскохозяйственные и коммунальные пищевые отходы - отбросы.

Особую категорию отходов (главным образом, промышленных) составляют радиоактивные отходы (РАО), образующиеся при добыче, производстве и использовании радиоактивных веществ в качестве горючего для атомных электростанций, транспортных средств (например, атомные подводные лодки) и других целей.

Большую опасность для окружающей среды представляют токсичные отходы, в том числе часть неопасных на стадии их появления отходов, которые приобретают токсичные свойства во время хранения.

Отходы производства и потребления требуют для складирования не только значительных площадей, но и загрязняют вредными веществами, пылью, газообразными выделениями атмосферу, территорию, поверхностные и подземные воды. В связи с этим, деятельность природопользователя должна быть направлена на сокращение объемов (массы) образования отходов, внедрение малоотходных технологий, преобразование отходов во вторичное сырье или получение из них какой-либо продукции, сведение к минимуму образования отходов, не подлежащих дальнейшей переработке, и захоронение их в соответствии с действующим законодательством. В соответствии со статьей 11 федерального закона «Об отходах производства и потребления» индивидуальные предприниматели и юридические лица при эксплуатации предприятий, зданий, строений, сооружений и иных объектов, связанных с обращением с отходами, обязаны:

· соблюдать экологические требования, установленные законодательством Российской Федерации в области охраны окружающей природной среды;

· разрабатывать проекты нормативов образования отходов и лимитов на размещение отходов в целях уменьшения количества их образования;

· внедрять малоотходные технологии на основе научно-технических достижений;

· проводить инвентаризацию отходов и объектов их размещения;

· проводить мониторинг состояния окружающей природной среды на территориях объектов размещения отходов;

· предоставлять в установленном порядке необходимую информацию в области обращения с отходами;

· соблюдать требования предупреждения аварий, связанных с обращением с отходами, и принимать неотложные меры по их ликвидации;

· в случае возникновения или угрозы аварий, связанных с обращением с отходами, которые наносят или могут нанести ущерб окружающей природной среде, здоровью или имуществу физических и юридических лиц, немедленно информировать об этом специально уполномоченные федеральные органы исполнительной власти в области обращения с отходами, органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации, органы местного самоуправления.

В последние годы возникла серьезная проблема загрязнения околоземного космического пространства твердыми фрагментами, так называемым космическим мусором, который образуют обтекатели последних ступеней ракет, различные детали стыковочных узлов, осколки космических аппаратов (КА) как результат их преднамеренной ликвидации, частицы разрушающихся покрытий КА. Спектр размеров этого мусора - от менее нескольких сантиметров до нескольких метров. В настоящее время общая масса космического мусора превысила 5000 т и продолжает увеличиваться. В последнее десятилетие в космос запускают ежегодно более 100 ракет, выводя на орбиту спутники связи, исследовательские спутники, спутники-спасатели поиска аварийных судов и самолетов системы космического спасения (КОСПАС), спутники-шпионы и др. Масса космического мусора уже составляет величину, соизмеримую с массой газа верхних слоев атмосферы на высоте выше 200 км, т. е. там, где этот мусор может существовать (на более низких высотах он сгорает).

Двигаясь с космическими скоростями, этот мусор обладает колоссальной кинетической энергией и становится угрозой для освоения космического пространства (защитить КА от разрушения при столкновении с осколками размером более 1 см практически невозможно). Около 75% космического мусора принадлежит нашей стране. Кроме того, на космических орбитах находится 31 КА российского происхождения с ядерными энергетическими установками - потенциальный источник появления в космосе РАО.

4.Возможные направления использования отходов производства

Принципиально возможно использование промышленных отходов в следующих основных направлениях:

1. Рекультивация ландшафтов, планировка территорий, отсыпка дорог, дамб и т. п., для чего используют скальные породы, галечник, гравий, песок, доменные шлаки и другие виды твердых промышленных отходов.

Реализация этого экономически выгодного направления утилизации отходов тем не менее незначительная - всего в этих целях используется примерно 10% объема имеющихся отходов.

2. Использование отходов в качестве сырья при производстве строительных материалов:

как пористые заполнители бетона, строительной керамики, кладочных растворов (пустая горная порода, галечник, песок);

как сырье для производства белого цемента, строительной извести и стекла (породы, содержащие мел СаСО3), портландцемента (глинистые сланцы), керамзита (пластичные глины), силикатного и строительного кирпича (золошлаковые отходы тепловых электростанций и металлургических заводов) и т. д.

Промышленность строительных материалов - единственная отрасль, в значительных масштабах использующая многотоннажные отходы производства.

3. Вторичное использование отходов в качестве исходного сырья, поскольку некоторые отходы по своим свойствам близки к природному сырью для получения определенного вещества или сырья для получения новых видов продукции. В первом случае реализуется принцип малоотходной или безотходной технологии производства (рис. 4), например производство графита из графитовых руд и образующейся при этом графитовой копоти.



Рис. 4. Схема безотходного технологического процесса

окружающий среда отходы переработка

Во втором случае таким образом можно, например, получать серную кислоту: при обогащении угля с целью снижения в нем содержания серы образуется серный колчедан FeS2 (например, в «хвостах» обогащения Подмосковного угольного бассейна его запасы достигают 60 млн т); термическая обработка серного колчедана совместно с другим крупнотоннажным отходом - сульфатом железа FeSO4 - позволяет получить диоксид серы:

FeSO4 + 3FeS2 + 8О2 = 7SO2 + 2Fe2O3,

и в дальнейшем - серную кислоту.

Это направление использования отходов применимо при переработке таких промышленных отходов потребления, как черный и цветной металлолом. При переработке черного металлолома можно сэкономить до 75% электроэнергии, необходимой для получения стали из железной руды. Повторное получение алюминия из лома экономит до 90% электроэнергии, необходимой для его выплавки из руды. Попутно уменьшается загрязнение атмосферы и количество добываемого первичного сырья, а следовательно, и количество пустой рудной породы.

4. Использование отходов в сельском хозяйстве в качестве удобрения или средства мелиорации. Например, разработаны технологические процессы получения из фосфогипса (крупнотоннажный отход некоторых химических производств, содержащий в %: гипс - 80-90, фосфорную кислоту - 0,5-0,6, глину - 5-6) ценного химического удобрения - сульфата аммония (NH4)2SО4, а также извести для химической мелиорации солонцовых почв. Известковые мелиоранты (поглотители) кислых почв получают также из золошлаковых отходов металлургии, отходов бумажной, кожевенной и других отраслей производства.

Применение отходов промышленности в сельском хозяйстве имеет свои сложности. Это связано с тем, что в них в зависимости от исходного сырья могут находиться тяжелые металлы, мышьяк, фтор, селен и другие вредные элементы.

5. Использование в качестве топлива в промышленности и быту отходов лесной и деревообрабатывающей отраслей промышленности, некоторых отходов сельского хозяйства.

5.Утилизация промышленных отходов

Отходы, которые не используются (или не подлежат использованию), направляются на захоронение на полигоны-свалки.

Полигон для хранения твердых промышленных отходов представляет собой обычно заглубленный примерно на 10 м и огражденный насыпью во избежание попадания ливневых и талых вод земельный участок площадью от нескольких до десятков гектаров. Для предотвращения загрязнения грунтовых вод дно хранилища покрывают противофильтрационным экраном (несколько слоев полимерной пленки). Для контроля работы этого экрана и качества грунтовых вод в районе полигона бурят скважины с целью отбора проб воды на химический анализ. Полигон, как правило, огораживают полосами из деревьев и кустарников. Твердые отходы после их обезвоживания на заводских очистных сооружениях засыпают в хранилище самосвалами со специальной эстакады или с гребня ограждающей насыпи. После заполнения хранилища на выровненной поверхности устанавливают противофильтрационный экран и засыпают его слоем песчаного и почвенно-растительного местного грунта. На этом в основном заканчивается рекультивация хранилища твердых нетоксичных промышленных отходов.

В России из учтенных статистикой (в 1997 г.) 1112 мест организованного захоронения промышленных отходов, занимающих территорию в 14,5 тыс. га, 935 мест (84%) отвечало действующим нормативам захоронения отходов.

Особое внимание мониторинг окружающей среды уделяет токсичным отходам производства.

В докладе «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1997 году» Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды отмечается, что на начало 1997 г. на предприятиях различных отраслей промышленности накоплено 1431,7 млн т токсичных отходов. За 1997 г. на промышленных предприятиях РФ образовалось 89,4 млн т токсичных отходов, из них использовано в собственном производстве 39,1 млн т, полностью обезврежено 9,2 млн т, т. е. соответственно около 44 и 10% общего количества образовавшихся за год отходов.

Токсичные промышленные отходы должны помещать в герметичные металлические контейнеры (особо вредные - в кубы из отвердевшего жидкого стекла) и захоранивать в толще глины. Иногда в качестве полигонов для хранения таких отходов используют пустые геологические выработки (брошенные угольные шахты, соляные копи или специально созданные полости).

Однако по-прежнему существует практика вывоза промышленных отходов, в том числе токсичных, в места неорганизованного складирования, что представляет особую опасность для окружающей среды. Количество отходов на несанкционированных свалках постоянно растет (рис. 5). Главные причины этого - переполненность существующих полигонов захоронения токсичных отходов и отсутствие финансирования нового строительства. Кроме того, при строительстве новых объектов обезвреживания и захоронения отходов возникает серьезная проблема - нахождение баланса между интересами граждан, проживающих вблизи территории предполагаемого строительства данного объекта, и решением экологических проблем региона в целом.

Рис. 5. Количество токсичных отходов, размещенных на несанкционированных свалках

Переработка промышленных отходов должна предшествовать их захоронению на полигонах-свалках для обеспечения экологической безопасности при их хранении, уменьшения первоначальных объемов.

Одновременно в процессе переработки из отходов можно извлечь ценные компоненты или получить новые материалы.

Несмотря на существующие технологии переработки (термические, физико-химические, биотехнологии), ей подвергается в нашей стране не более 20% общего количества промышленных отходов, при этом официальные данные показывают непрерывный рост неперерабатываемых промышленных отходов, не говоря уже о неучтенных свалках, старых захоронениях, инвентаризация которых даже не начиналась и где содержится около 100 млрд т отходов (из них около 2 млрд т - токсичные).

На сегодняшний день не существует промышленных отходов, которые нельзя было бы переработать тем или иным способом. Правда, при этом велики расходы энергии и себестоимость единицы массы переработанных отходов. Именно это сдерживает применение способов переработки и одновременно стимулирует разработку новых экологически и экономически эффективных технологий. Прогнозируется, что решение этой задачи при колоссальном количестве отходов и при все ужесточающемся законодательстве во всех странах в области охраны окружающей среды приведет к созданию не только новой отрасли индустрии, но и к ее бурному развитию - своего рода «экопромышленному буму».

Суть термической технологии заключается в обработке отходов высокотемпературным теплоносителем, в частности продуктами сгорания топлива, СВЧ-нагревом и др. Высокотемпературная обработка происходит в окислительном или восстановительном режиме с подачей воздуха, кислорода, водорода или других газов. Этот способ обладает определенной универсальностью, позволяя обезвреживать неорганические и органические соединения. Главный недостаток термической технологии - большая энергоемкость на единицу перерабатываемых отходов.

Разновидностью термического метода является плазменный, при котором высокие температуры (выше 3000 К) позволяют обезвреживать широкий спектр токсичных и особотоксичных веществ, среди них различные отравляющие вещества (в том числе боевые), пестициды, диоксины и др.

Еще одним перспективным направлением термической технологии является пиролиз - разложение отходов под действием высокой температуры без доступа воздуха. Преимущества этой технологии - возможность получения газа для технологических и бытовых целей, а в ряде случаев новых продуктов (масла, смолы), пригодных к использованию; резкое сокращение затрат на систему очистки отходящих газов за счет снижения их объемов (в 3-4 раза); достаточная экологическая чистота и безопасность; низкое энергопотребление на единицу объема перерабатываемого вещества, особенно в случае применения СВЧ-нагрева.

В результате физико-химической технологии переработки некоторые отходы используются как сырье для получения полезного продукта.

В промышленно развитых странах эту технологию применяют для переработки:

отходов резинотехнической промышленности (автомобильные покрышки, резиновые шланги и рукава и др.) в резиновую крошку, используемую в дорожном строительстве (например, шумопоглощающий «шепчущий асфальт», которым покрыты многие автомагистрали Австрии);

широко используемых полимерных материалов (новая отрасль промышленности по переработке такого вида отходов обеспечивает их 100%-ю переработку в сырье для повторного использования);

определенных видов промышленных отходов в удобрения, строительные материалы.

При переработке каждого вида отходов этим методом приходится разрабатывать индивидуальную технологию. В связи с этим с точки зрения экологизации промышленного производства при создании нового материала, находящего широкое применение, желательно одновременно разрабатывать и технологию его утилизации.

Теоретически самой перспективной технологией переработки промышленных отходов является биотехнология. Живое вещество планеты в ходе эволюции переработало косную литосферу, гидросферу и атмосферу, превратив их в биосферу. Энергетический потенциал биоты не сравним ни с какой технической установкой, выполняющей ту же функцию, правда, скорость протекания биологических процессов невелика. В лабораторных условиях осуществляются технологии извлечения из отходов Fe, Сu, Zn, Сd, Рb, Нg, Со, Аg и других металлов, в том числе радиоактивных изотопов, некоторыми бактериями и грибами. В промышленных условиях биотехнологию уже используют для производства белковых продуктов из отходов лесной и деревообрабатывающей отраслей промышленности.

Биотехнологические методы должны оказаться очень полезными и эффективными при переработке отходов пищевой отрасли промышленности, агропромышленного комплекса, а также коммунального хозяйства - областях, где утилизация отходов развита в наименьшей степени.

6.Источники углеродсодержащих отходов

Основные источники углеродсодержащих отходов в России, их примерная норма образования в год, состав и калорийность приведены в Таблице 1.

Объем загрязненного нефтепродуктами грунта, образующегося за год, составляет 510 млн. тонн. Норма образования ТБО - 130 млн. тонн. Объем осадков биологических очистных сооружений составляет 0,8 млн. тонн/год. Нормы образования нефтешламов - 3 млн. тонн. Хранение и утилизация вышеперечисленных отходов является наиболее острой проблемой для России. Объемы остальных отходов незначительны.

Для выработки концепции обезвреживания углеродсодержащих отходов оценим тепловой эффект сжигания отходов при температуре 1100°С с учетом влажности и фазовых переходов. При обезвреживании углеродсодержащих отходов сжиганием важной физико-химической характеристикой является теплотворная способность сырья. Рассчитаем наименьшую концентрацию нефтепродуктов в отходах, при которой тепловой эффект реакции - нулевой (неотрицательный) для различных содержаний механических примесей и влажности. Минимальные концентрации или содержания углеводородов в отходах сведены в Таблицу 2.

В среднем, как следует из Таблицы 2, для получения положительного теплового эффекта реакции горения отходов содержание углеводородов должно быть выше 10%. КПД печей сжигания не превышает 70-75%, поэтому, содержание углеводородов в отходах не должно быть меньше 14%. Таким образом, если отходы содержат более 14% нефтепродуктов, то их рациональнее сжигать, получая при этом тепловую или электрическую энергию, если менее 14% - то для обезвреживания таких отходов лучше использовать микробиологический метод.

Таблица 1. Источники углеродсодержащих отходов

7.Методы утилизации углеродсодержащих отходов

В мировой практике для утилизации и обезвреживания ПО и ТБО используют термические, химические, биологические и физико-химические методы

К термическим методам обезвреживания отходов относятся сжигание, газификация и пиролиз.

Сжигание - наиболее отработанный и используемый способ. Этот метод осуществляется в печах различных конструкций при температурах не менее 1200°С. В результате сгорания органической части отходов образуются диоксид углерода, пары воды, оксиды азота и серы, аэрозоль, оксид углерода, бензопирен и диоксины. Зола, имеющая в своем составе неподвижную форму тяжелых металлов, накапливается в нижней части печи и периодически вывозится на полигоны для захоронения или используется в производстве цемента.

Газификация - широко используемый в металлургии способ переработки некоксующихся углей - осуществляется в вихревых реакторах или печах с кипящим слоем при температурах 600-1100°С в атмосфере газифицирующего агента (воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода или их смесь). В результате реакции образуются синтез-газ (H2, СО), туман из жидких смолистых веществ, бензопирена и диоксинов. Реакция газификации протекает в среде с восстановительными свойствами, поэтому оксиды азота и серы практически не образуются. Масса тумана при 600°С может доходить до 30% от массы синтез-газа. При увеличении температуры газификации доля тумана в массе синтез-газа падает и при температуре более 1100°С близка к нулю.

Горючая смесь водорода и оксида углерода сжигается на горелках при 1400-1600°С или используется в каталитическом процессе синтеза метилового спирта. Зола, остающаяся после газификации, может содержать остаточный углерод и соли тяжелых металлов, растворимые в воде. После проверки золы на отсутствие бензопирена, диоксинов и тяжелых металлов в подвижной форме она может быть отправлена на захоронение.

Пиролиз - наиболее изученный процесс широко используется для производства активированного угля из древесины. Пиролиз нефтесодержащих отходов проводят при температуре 600-800°С с вакуумированием реактора. При этом протекают реакции коксо- и смолообразования, разложения высокомолекулярных соединений на низкомолекулярные, жидкую и газообразную фракции, а если углеводородные отходы содержат серу, то образуются также сероводород и меркаптаны. Оксиды азота и серы практически не образуются.

Химические методы обезвреживания жидких и твердых нефтесодержащих отходов заключаются в добавлении к нейтрализуемой массе химических реагентов. В зависимости от типа химической реакции реагента с загрязнением происходит осаждение, окисление-восстановление, замещение, комплексообразование.

Методы осаждения основаны на ионных реакциях с образованием мало растворимых в воде веществ и особенно эффективны при нейтрализации тяжелых металлов и радионуклидов. Метод осаждения органических загрязнений основан на двух типах реакций: комплексообразование и кристаллизация. Осаждение используют для очистки грунта от полихлорированных бифенилов, пентахлорфенолов, хлорированных и нитрированных углеводородов. Реагенты могут быть как в жидкой, так и в газообразной фазах. Однако при этом происходит увеличение объема обезвреженной массы.

Методы управления окислительно-восстановительной реакцией среды позволяют переводить соединения тяжелых металлов и радионуклидов в трудно растворимые в воде гидрооксиды, а также разрушать цианиды, нитраты, тетра-хлориды и другие хлорорганические соединения.

Для химической иммобилизации или компексообразования используют неорганические вяжущие типа цемента, золы, силикатов калия и натрия, извести и гелеобразующих веществ (бентонит или целлюлоза). Иммобилизацию используют для связывания тяжелых металлов, радиоактивных отходов, полициклических и ароматических углеводородов, трихлорэтилена и нефтепродуктов.

Недостатком комплексообразования является неустойчивость вяжущих веществ к атмосферной и грунтовой влаге, быстрым изменениям температуры, что приводит в результате к разрушению композиционного материала. Объем отходов после комплексообразования уменьшается только в 2 раза.

Биологические методы обезвреживания ПО и ТБО находят все более широкое применение в нашей стране и особенно за рубежом. Они основаны на способности различных штаммов микроорганизмов в процессе жизнедеятельности разлагать или усваивать в своей биомассе многие органические загрязнители. В процессе биообезвреживания происходит вторичное загрязнение атмосферного воздуха продуктами гниения клеток микроорганизмов - сероводородом и аммиаком.

Биологическая очистка чаще всего используется для нейтрализации органических токсикантов и тяжелых металлов, а также азотных и фосфорных соединений в почвах и грунтах. Биологические методы можно условно подразделить на микробиодеградацию загрязнителей, биопоглощение и перераспределение токсикантов.

Микробиодеградация - это деструкция органических веществ определенными культурами микрофлоры, внесенными в грунт. Процесс биоразложения протекает с заметной скоростью при оптимальной температуре и влажности. Микробиодеградация может быть использована во всех случаях, где естественный микробиоценоз сохранил жизнеспособность и видовое разнообразие. Хотя процесс идет крайне медленно, его эффективность высока.

Биопоглощение - это способность некоторых растений и простейших организмов ускорять биодеградацию органических веществ или аккумулировать загрязнения в клетках.

Физико-химические методы образуют наиболее представительную группу методов обезвреживания ПО и ТБО. При создании физических полей в пористых средах начинают протекать одновременно множество физико-химических процессов.

При наложении поля механических напряжений загрязненный грунт интенсивно перемешивается и происходит очистка частиц грунта от поверхностных загрязнений.

Гидродинамическое воздействие на грунт или почву сопровождается суффозией, выщелачиванием, адсорбцией, диффузией и выносом загрязнений из порового пространства грунтов.

Перспективен метод сверхкритической экстракции углекислым газом органических загрязнений.

Постоянное электрическое поле, приложенное к водонасыщенному грунту или почве, вызывает протекание электрохимических и электрокинетических процессов. К электрохимическим процессам относятся: электролиз, электрофлотация, электрокоагуляция, электродеструкция, электрохимическое обеззараживание, ионный обмен, электрохимическое окисление и выщелачивание, электродиализ, а к электрокинетическим - электроосмос, электрофорез и электромиграция.

Электролиз порового раствора загрязненных грунтов и почв - это окислительно-восстановительный процесс, в результате протекания которого происходит разложение химических соединений. Он используется для очистки грунтов от микроорганизмов и называется электрохимическим обеззараживанием. Эффективность метода доходит до 99%.

При электрофлотации удаление нефтепродуктов происходит пузырьками газа, образующимися при электролизе и поднимающимися к поверхности.

Электрокоагуляция - это процесс агрегации микрочастиц минерального происхождения и органических молекул. В методе электрокоагуляции используют железные и алюминиевые электроды, при растворении которых образуются гидрооксиды, адсорбирующие загрязнения и выпадающие затем в осадок.

Электрохимическое окисление применяется для очистки грунтов от хлорированных углеводородов и фенола. Эффективность окисления фенола 70-92%.

Электрохимическое выщелачивание - это метод очистки грунтов, основанный на высолаживании загрязнений или переводе тяжелых металлов в подвижную форму. Однако метод требует внесения дополнительных химических реагентов.

Электродеструкция осуществляется при электрохимическом разложении токсичных органических соединений на электродах с образованием нетоксичных веществ. Преимущество метода в низкой стоимости и высокой эффективности.

При электродиализе порового раствора грунтов и почв происходит очистка от загрязнений в коллоидной форме, обессоливание в средней части межэлектродного пространства.

Электрокинетические методы начали широко применяться с 60-х годов. Электрокинетическая обработка применяется для очистки глинистых и суглинистых грунтов. Электрокинетические явления, наблюдающиеся в пористых средах при протекании постоянного электрического тока, подразделяются на электроосмос и электрофорез.

При электроосмосе ионы, содержащиеся в жидкости, перемещаются относительно неподвижной заряженной поверхности минеральных частиц грунта, увлекая при этом загрязнения в растворенном или жидком состоянии. Электроосмотическая скорость потока пропорциональна произведению силы потока на величину дзетта-потенциала и на удельную поверхность пористой среды.

При протекании электрофореза в поровом пространстве грунта, заполненном полностью или частично водой, перемещаются минеральные частицы. Это явление имеет крайне незначительную роль в электрокинетическом переносе загрязнений в диссоциированной форме, но определяющую в переносе коллоидных и заряженных минеральных частиц Электрофоретическое перемещение коллоидных и микрочастиц наблюдается в макропористых грунтах (песчаник, супесь).

Под действием напряжения, приложенного к электродам, которые погружены в скважины, вода и экотоксиканты в коллоидном состоянии перемещаются к электродным резервуарам, из которых затем вода с загрязнениями извлекается на поверхность и очищается одним из физико-химических методов. Эффективность очистки может доходить до 99%.

Отдельную группу составляют электромагнитные методы, основанные на термическом эффекте при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом

В сверхвысокочастотных полях происходит быстрый и равномерный прогрев грунта, и при этом протекают дегидратация, диссоциация карбонатов, окисление и даже плавление. Десорбирующиеся органические соединения обезвреживаются, например, каталитическим методом.

Обезвреживание ПО и ТБО с помощью ультрафиолетового и лазерного излучения относится также к электромагнитным методам. Активация ароматических молекул УФ и лазерным излучениями приводит к диссоциации молекул с образованием радикалов и активных комплексов, быстрому окислению и полимеризации.

Эффективен для очистки грунта от нефтепродуктов ультразвук. Начиная с критического значения звукового давления акустических волн, в жидкости возникает кавитация. При схлопывании кавитационных полостей образующиеся микроструи с линейными скоростями 300-800 м/с срывают с поверхности твердых частиц нефтяные загрязнения. Эффективность очистки может достигать 99,5-99,8%. При кавитационных разрывах жидкости происходит ионизация и активация молекул, стимулирующие окисление и полимеризацию углеводородных молекул.