Формирование кластера золошлаковых отходов для производства строительных материалов как мера подавления очагов накопленного вреда окружающей среде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование кластера золошлаковых отходов для производства строительных материалов как мера подавления очагов накопленного вреда окружающей среде

А.М. Дрегуло, Санкт-Петербургский государственный університет; В.М. Питулько, Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Аннотация

Наиболее перспективной схемой утилизации объектов накопленного вреда окружающей среде в системе водоотведения является их совместная инсинерация с твердыми бытовыми отходами для получения золошлаков, используемых в качестве добавки в производстве строительных материалов. Последнее становится стратегическим ресурсом в реализации программы ликвидации объектов накопленного экологического ущерба. В ходе исследования были проанализированы различные виды золошлаков, полученные от сжигания отходов водоотведения и твердых бытовых отходов.

Полученные данные дают основания считать пригодным использование золошлаков от отходов водоотведения по токсикологическим параметрам, в том числе и ввиду позитивной практики за рубежом. Следовательно, возможно формирование кластера совместной инсинерации отходов для получения золошла- ка, используемого в качестве добавки в строительные материалы. Результаты исследования указывают на потенциальную эффективность и своевременность реализации подавления очагов накопленного экологического ущерба, связанного со свалками твердых бытовых отходов, через формирование кластера совместной инсинерации отходов для получения золошлаков.

Ключевые слова: осадки сточных вод; твердые бытовые отходы; накопленный вред окружающей среде; золошлаковые отходы; кластер отходов; строительные материалы

Abstract

Cluster formation of ash and slag waters for production of building materials as a measure of environmental damage

Andrey M. Dregulo, Viktor M. Pitulko

The most promising scheme of disposal of objects of accumulated environmental damage in the wastewater system is their joint incineration with solid waste to produce ash used as an additive in the production of building materials. The latter becomes a strategic resource in the implementation of the program of liquidation of objects of accumulated environmental damage. Various types of ash and slag obtained from the incineration of wastewater and municipal solid waste are analyzed. The data obtained give grounds to consider the use of ash from wastewater waste suitable for toxicological parameters, but also in view of positive foreign practice. This basis makes it possible to consider the formation of a cluster of joint incineration of waste to produce ash used as an additive in building materials. The results of the study indicate the potential effectiveness and timeliness in the implementation of the suppression of foci of accumulated environmental damage associated with landfills of solid waste through the formation of a cluster of joint incineration of waste for ash.

Keywords: sewage sludge; solid waste; accumulated environmental damage; ash and slag waste; waste cluster; building materials

Введение

Использование безотходной технологии в получении вторичного продукта из осадков сточных вод (ОСВ) весьма затруднительно (за исключением биогаза) [1]. Основную проблему несут тяжелые металлы и связанные с ними процессы биоалкилирования, наличие патогенной и специфической микрофлоры, способной даже после длительной стабилизации отходов на иловых площадках, полигонах, в геотубах к проявлению негативного воздействия [2].

Поэтому использование их в качестве биосубстрата для сельского хозяйства (как наиболее рационального этапа целевой утилизации осадков) невозможно для осадков сточных вод общесплавной канализации. Последнее обуславливает пути их утилизации задаваемыми критериями общепринятой практики - утилизации на полигонах, жизненный цикл эксплуатации которых становится фактором накопленного вреда окружающей среде (НВОС).

Цель статьи - определение основных физико-химических и токсикологических параметров экологической безопасности золошлаковых отходов от сжигания осадков сточных вод и цивилизованных путей их утилизации в виде кластерного подхода как превентивной меры ликвидации объектов НВОС.

Материалы и методы

В качестве золошлакового материала была исследована зола от сжигания осадков сточных вод Северной станции аэрации Санкт-Петербурга. Компонентный состав тяжелых металлов проводился по стандартизированным методикам М-МВИ-80-2008, ПНД Ф 16.1:2.23-2000, ПНД Ф 16.3.24-2000; влажность согласно ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.58-08; сульфат-ион согласно ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.53-08; хлориды согласно ПНД Ф 16.2.2:2.3:3.28-02; зольность согласно ПНД Ф 16.2.2:2.3.29-02. Токсикологический анализ проводился на тест-объектах основных трофических звеньев водной экосистемы: водорослей Chlorella vulgaris Beijer согласно ПНД Ф Т 16.1:2:2.3:3.7-04 и ракообразных Daphnia magna Straus согласно ПНД Ф Т 16.1:2:2.3:3.9-06. Дополнительно исследовали золошлаки жженого сланца известных марок, используемые в качестве добавки в строительные смеси. На основании полученных результатов был проведен сравнительный анализ компонентного состава золошлаков различной типологии, предложены наиболее перспективные пути их утилизации.

Результаты и обсуждение

Кластерная принадлежность определенных видов отходов может со временем (при наличии инфраструктуры) приобрести позитивные перспективы, поскольку кластеры имеют две формы ранжирования: по региональному и по производственному признакам [3]. Наиболее вероятным, учитывая современные реалии получения целевого продукта, если и не конкурентным, то хотя бы имеющим потенциал для дальнейшей рыночной конвертации, является сжигание осадков сточных вод и твердых бытовых отходов (ТБО) для получения золошлаков, используемых в качестве добавки в стройматериалах.

Применительно к Санкт-Петербургу (и городам, в которых уже функционируют заводы по сжиганию отходов) такой подход может быть логичным как для регионального, так и для отраслевого вида кластера. Необходимо пояснить, что выбор именно этой технологии утилизации как единственно приемлемой в настоящее время продиктован отсутствием предварительной локальной очистки стоков на предприятиях и объемом самих осадков, характерным для мегаполисов.

В других случаях, когда в технологии не предусматриваются наличие или образование токсичных поллютантов в составе стоков и, соответственно, их аккумуляция в твердой фазе осадков, наиболее эффективным будет использование иловых площадок именно для обработки осадков, применяемых в сельском хозяйстве. Выбор технологии утилизации рано или поздно придется сделать. Это будет или относительно дешевый метод почвенного депонирования и все сопряженные с ним экологические риски, или экономически емкие, но, возможно, более перспективные с точки зрения социо-экологического климата термические методы утилизации.

Безусловно, выбирая второй вариант, следует тщательным образом проанализировать наиболее уязвимые точки этого решения. Термическая обработка отходов является многообещающей технологией как с экологической, так и с экономической точек зрения. Тем не менее возникают серьезные проблемы, когда различные типы отходов с различными свойствами (содержание влаги, теплота горения и т.д.) утилизируют в едином процессе [4]. Поэтому одной из первоочередных задач данного направления является определение наиболее эффективной технологии термической переработки (табл. 1) [5].

Процессы инсинерации отходов ТБО и ОСВ достаточно хорошо изучены, и технологии на их основе уже порядка 40 лет применяются на Западе [10]. SWOT-анализ термических методов утилизации отходов показал, что пиролиз с сжиганием и газификацией отходов представляется наиболее оптимальной формой их термохимической обработки [11]. При этом пиролиз осадка сточных вод обеспечивает экономию энергии и минимизацию количества золошлаковых отходов после сжигания. Изменение характеристик отходов с целью увеличения его нижнего предела тепла горения зависит от многих факторов: удаления стекла, металлов и других инертных материалов. Ввиду того, что отходы ТБО являются поликомпонентными, увеличивается экономическое обременение на подготовку отходов в качестве альтернативного топлива, включающую целый ряд технологических процессов.

Таблица 1. Сравнительная характеристика работы печей при огневом обезвреживании отходов

В табл. 2 приведены сравнительные характеристики технологий и аппаратов термической обработки отходов. Следует отметить, что авторы многих публикаций единогласно отдают приоритет печам с псевдоожиженным слоем из-за высокой эффективности сгорания, компактности, относительно низких затрат на эксплуатационные расходы и простоты обслуживания. Однако в любом случае выбор наиболее приемлемых технологических решений остается за конкретным заказчиком.

Успешным примером использования метода пиролиза осадков сточных вод) является ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», применяющее данный метод, разработанный фирмой BAMAG GmbH (Германия), с начала 2000-х г.

Сравнительный анализ компонентного состава золошлаковых отходов, перспективных для использования в качестве добавки в строительные материалы, показал широкий диапазон тяжелых металлов, имеющих следующий ряд: зола ТБО > зола осадков сточных вод > зола от жженого сланца (табл. 2).

Исследования токсикологической опасности золы от сжигания отходов позволяют отнести золошлаки от осадков сточных вод к V классу опасности (табл. 3). Это дает возможность использовать золошлаки из осадков сточных вод для получения целевого продукта при условии минимизации выщелачивания тяжелых металлов из его фракционного состава, например в композиции с вяжущими материалами.

Таблица 2. Сравнительный анализ компонентного состава золошлаковых отходов для использования в качестве добавки к строительным материалам

Примечание: 1,2, 3 - зола сожженного сланца; 4 - зола от сжигания осадков сточных вод; 5, 6, 7, 8 - зола от сжигания ТБО; ССА - Северная станция аэрации (ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»).

Примером полезного использования золы от сжигания осадков сточных вод в качестве вторичного ресурса служит ряд патентных заявок и научных публикаций, например «Способ получения композиционных материалов для дорожно-транспортного строительства на основе переработанных осадков сточных вод предприятий коммунального хозяйства» [12]. Наряду с позитивной практикой использования золошлаков многие исследователи отмечают как конкурентные преимущества продукции на их основе, так и приемлемые экологотоксикологические показатели при их использовании.

Таблица 3 Токсикологическое исследование золы от сжигания осадков сточных вод

Бетон, полученный с внесением в общий состав 10 % золы биомассы, имел более высокие значения прочности на сжатие для эталонного состава [13]. Полученные элюаты исследовали по компонентному составу и агрессивности среды: рН, тяжелые металлы (19 металлов), растворенный органический углерод, хлориды, соединения фенола, соединения и полные растворенные твердые вещества, и далее проводили токсикологическую оценку на различных биотестах.

Для элюатов морской воды (при использовании материала в железобетонных конструкциях в условиях повышенной солености) оценивали ингибирование биолюминесценции бактерии Vibrio fischeri, микроводорослей Phaedactilum tricornutum, ингибирование подвижности микрокруацеата Artemia ftanciscana, а для пресноводных элюатов - ингибирование подвижности Daphnia magna, Pseudokirchneriella subcapitata. Уровни выщелачивания химических веществ в условиях морских и пресноводных водоемов были аналогичны с эталонными образцами.

Учитывая различие в компонентных составах золошлаковых отходов, наиболее перспективными с точки зрения экологической безопасности представляются исследования по получению бетона, в процессе производства которого соединения тяжелых металлов встраиваются в силикатную и алюмосиликатную структуру исходных материалов (глины и шламы) при температу-

ре 1110 ^оС [14]. Матричная структура материала с использованием осадков сточных вод представлена на рис. 1 [14].

Рис. 1. Матричная структура материала с использованием осадков сточных вод

Однако даже при наличии перечня перспективных технологий, имеющих высокий потенциал завоевания рынка продукции из вторичного сырья, действия, направленные на консолидацию усилий по формированию кластера, не будут иметь желаемого эффекта без участия государственного субсидирования и/или законотворческой поддержки.

На сегодняшний день актуальность такого кластера сложно переоценить. Тем не менее исследование кластеров, локализированных в Санкт-Петербурге и развиваемых в рамках федеральных и региональных целевых программ [15] (к ним относятся и промышленные кластеры, табл. 4), показало отсутствие данного кластера как такового.

Таблица 4. Кластерная структура Санкт-Петербурга и регионов

Вероятно, это связано с тем, что некоторые исследователи в процессе кластеризации отрасли рассматривают экономическую составляющую как более важную в сравнении с экологической [16]. Однако c этим тезисом нельзя согласиться. Определяющим фактором здесь будет являться степень заинтересованности прежде всего государственной власти в продвижении политики безотходного производства, что, в свою очередь, может служить популяризацией философии zero waste, имеющей в своем корне именно нравственную компоненту как более значимую [17], но в то же время не отвергающую сложный путь экономической стороны.

При отсутствии экономической составляющей (финансовой выгоды) для всех участников такого бизнес-проекта, в первую очередь для производителя и потребителя, экологический фактор неминуемо отразится на административной политике управления городским хозяйством. Вопрос в этом случае всегда будет решаться не как утилизировать, а где, что еще больше обострит проблемы территориального планирования и социализации городской среды. Но учитывая темпы урбанизации пригородных территорий, появление на них объектов для размещения опасных отходов надолго стагнирует развитие данной территориально-экономической единицы. Именно поэтому государственная структура должна объединить операторов кластера: поставщика вторичного ресурса из отходов (золы от сжигания, используемой в качестве сырья для стройматериалов) и производителя стройматериалов, оказать им поддержку в формировании долгосрочной перспективы, гарантировать инвестиции.

В данном случае госструктура должна выполнять функции гаранта этих взаимоотношений, условием которых должна стать договоренность об использовании вторичного ресурса в технологии производителя. Схема подобного взаимодействия представлена на рис. 2.

Рис. 2. Формирования кластерного подхода совместной утилизации осадков сточных вод и твердых бытовых отходов

Экономические инструменты при создании такого кластера или составной части единого кластера отходов используются для достижения трех основных целей:

- устойчивого развития государственной экологической стратегии;

- покрытия расходов на утилизацию отходов;

- получения прибыли.

Первые две позиции достаточно понятны, вопрос остается за получением прибыли. Затраты на инфраструктуру редко покрываются местными властями. Инвестиционные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, таким образом, окажутся обременительными для операторов отходов.

Относительно несложно найти инвесторов для инфраструктуры, но зачастую невозможно найти желающих принять участие в покрытии расходов на эксплуатацию и техническое обслуживание. И здесь вовлеченность государственных структур будет играть решающую роль, используя экономические инструменты поддержки в становлении данного кластера.

Экономическим инструментом может стать разработка национальной программы субсидирования по примеру Индии (введена в 2009 г. и реализована на основе системы бенчмаркинга) [18]. Сюда же можно отнести налоговые льготы, субсидирование или акционирование предприятий кластера, закрепление кластерной политики (например, законодательно закрепленная обязанность использования только наилучших доступных технология (НДТ) в области обращения с отходами на предприятиях водоканала и операторов ТБО), региональная поддержка коммунальных служб раздельного сбора ТБО и т.д.

Несомненно, бенефициаром в конечном итоге при формировании данного кластера будет являться социально-экономический сектор государства. Последнее не лишает выгоды остальных участников кластера - систему ЖКХ в целом (отсутствие объектов депонирования отходов) и бизнес-структуры (государственная поддержка, налоговые льготы).

токсикологический золошлаковый отходы утилизация

Выводы

Необходимость формирования кластера неутилизируемых отходов сточных вод совместно с отходами ТБО путем совместной инсинерации является перспективным направлением для реализации общей государственной политики по предупреждению и ликвидации объектов НВОС, имеющей перспективы позитивного социально-экономического развития.

Список литературы

1. Demirbas A., Edris G., Alalayah W.M. Sludge production from municipal wastewater treatment in sewage treatment plant // Energy Sources. Part A. Recovery, Utilization and Environmental Effects. 2017. Vol. 39.

2. Dregulo AM., Vitkovskaya R.F. Microbiological evaluation of soils of sites with accumulated ecological damage (sewage dumps) // Fibre Chemistry. 2018. Vol. 50. Issue 3. Pp. 243-247.

3. Ксенофонтова О.Л., Абрамова Е.А. Региональные кластеры: методические аспекты идентификации, формирования и результатов функционирования // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. 2015. № 3 (43). С. 91-99.

4. Меллер В.Я. Твердые бытовые отходы - источник тепловой и электрической энергии // Научно-технические проблемы использования альтернативных видов топлива в строительном комплексе Республики Беларусь: материалы VII Международной научно-технической конференции, Минск, 30 октября 2013 г. / редкол.: А.В. Вавилов и др. Минск, 2013. С. 10-14.

5. Янин Е.П. Сжигание осадков городских сточных вод (проблемы и способы) // Ресурсосберегающие технологии. 2006. № 24. С. 3-29.

6. Reijnders L. Disposal, uses and treatments of combustion ashes: a review // Resour. Conserv. Recycl. 2005. Vol. 43. Pp. 313-336.

7. Waste and Recycled Materials Use in the Transportation Industry // National Cooperative Highway Research Program / Transportation Research Board, National Research Council. Washington, 2000.

8. Youcai Z., Lijie S., Guojian L. Chemical stabilization of MSW incinerator fly ashes // J. Hazard. Mater. 2002. Vol. 95. Pp. 47-63.

9. Chang C.Y., Wang C.F., Mui D.T., ChengM.T., ChiangH.L. Characteristics of elements in waste ashes from a solid waste incinerator in Taiwan // J. Hazard. Mater. 2008. Vol. 165. Pp. 766-773.

10. Conversion of Existing Municipal Sludge Incinerators for Codisposal / United States Environmental Protection Agency. SW 743. February 1979. P. 51.

11. Optimization of the treatment and disposal of sewage sludge in the district of Como: options and scenarios assessment - Scientific Figure on Research Gate.

12. Заявка на патент № 2012130032/05. Способ получения композиционных материалов для дорожно-транспортного строительства на основе переработанных осадков сточных вод предприятий коммунального хозяйства / Лобанов Ф.И., Кармазинов Ф.В., Кинебас А.К., Козлов Л.Н., Могильный К.В., Рублевская О.Н., Чукалина Е.М.

13. Barbosa R., Lapa N., Dias D., Mendes B. Concretes containing biomass ashes: mechanical, chemical, and ecotoxic performances // Construction and Building Materials. Nov. 2013. Vol. 48. Pp. 457-463.

14. Franus M., Barnat-Hunek D., Wdowin M. Utilization of sewage sludge in the manufacture of lightweight aggregate // Environ. Monit. Assess. 2015. Vol. 188. No. 1. P. 10.

15. Кудрявцева Т.Ю. Теория, методология и инструментарий формирования кластерной промышленной политики: дис. ... д-ра эконом. наук. СПб.: СПБГПУ, 2018. С. 358-359.

16. Макарова И.Р., Тарбаева В.М. Кластерный подход в формировании региональной системы управления промышленными отходами.

17. Zero Waste Special Event Planning Guide.

18. Economic instruments in solid waste management. Applying economic instruments for sustainable solid waste management in low and middle-income countries.

Размещено на Allbest.ru