Термические методы переработки твердых бытовых отходов

Диоксины - химически инертные вещества, кислотами и щелочами не разлагаются даже при кипячении. При обычных температурах это кристаллические вещества с температурой плавления около 3000С, плохо растворимые в воде, отличающиеся высокой термической стабильностью: начало их разложения при 750 - 800оС, полное разложение - при температурах 1000оС и более. Основной особенностью диоксинов является их способность к образованию прочных комплексов (несмотря на химическую инертность) со многими природными и синтетическими полициклическими соединениями. Природные пути образования диоксинов не обнаружены, они являются побочным продуктом научно-технического прогресса. По характеру воздействия на человека диоксиновое отравление названо учеными экологическим СПИДом.

Диоксины являются самыми токсичными из синтезированных человеком веществ, относятся к ряду ксенобиотиков, то есть не приемлемых для живых организмов, чуждых окружающей среде. Диоксины обладают следующими видами воздействия на организм:

канцерогенным (вызывают онкологические заболевания);

мутагенным (вызывают искажение гена);

эмбриотоксическим (могут вызывать внутриутробные отравления эмбриона или плода);

подавляют иммунную систему;

при наличии высоких доз вызывают постепенное истощение организма и последующую смерть без ярко выраженных патологических симптомов.

Токсичность диоксинов связана со следующими факторами:

А. Кумулятивные свойства диоксинов приводят к постепенному отравлению организмов, причем каждая следующая доза токсичнее предыдущей.

Б. Воздействуя на белковый обмен, диоксины способствуют биоактивации мутагенов и разрушению витаминов, лекарств, низкомолекулярных гормонов. Особенно чувствительны к диоксинам те ткани, органы и организмы, которые находятся в фазе интенсивного развития (молодые особи, эмбрионы).

В. Диоксины разрушают механизмы защиты генов от воздействия окружающей среды и, не поражая генетически материал клеток непосредственно, тем не менее способствуют его разрушении. Возрастает чувствительность организмов к стрессам, внешним воздействиям и т.п.

Г. Для диоксинов характерен длительный период скрытого действия. Первые проявления - поражения сальных желез, сопровождающиеся дерматитами, усилением аллергических реакций и др.

Диоксины являются канцерогенами (провоцируют раковые заболевания) и тератогенами (поражают генофонд). Диоксины быстро поглощаются растениями, сорбируются почвой и различными материалами, практически не изменяясь под влиянием биологических и физико-химических факторов среды. Период полураспада диоксинов в природе не менее 10 лет. Почвы с содержанием диоксинов около 10 частей на триллион непригодны для кормопроизводства. Из почвы комплексы диоксина с органическими соединениями выдуваются ветром и вымываются дождевыми потоками. В водоемах они накапливаются в донных отложениях и переходят в водную фазу по мере образования водорастворимых органических комплексов.

С 1994 г. в РФ приняты нормативы по диоксинам для воздуха ПДК = 0,5 х 10-9 мг/м3, для воды ПДК = 2 х 10-8 мг/л и для почвы ПДК = 0,06 мг/кг. Диоксиновая опасность заставила Правительство РФ принять в 1995 г. специальную целевую программу"Защита окружающей природной среды от диоксинов и диоксиноподобных токсикантов". Самое важное - не допуститьнакопления диоксинов в природе. По возможности следует избегать применения хлорсодержащих материалов в быту, сжигания несортированного мусора, горения уличных свалок и уличного смета (в том числе листьев).

МСЗ, наряду с химическими предприятиями, являются основными поставщиками диоксинов в окружающую среду. Особенно эта проблема актуальная для несортированного мусора, когда в камеру сгорания вместе с влажными пищевыми отходами подаются также:

пластик, резина, линолеум;

изолента, пакеты и пленки;

древесные материалы, пропитанные синтетическими смолами;

лакокрасочные составы и т.п.

При сгорании 1 кг несортированных ТБО, содержащих 5 - 10% пластиков, в атмосферу поступает около 40 мкг диоксинов, что достаточно для разведения до ПДК 80 млн м3 воздуха. Обнаружение их весьма затруднительно, так как речь идет об очень малых концентрациях. Поэтому главным направлением снижения отрицательного влияния МСЗ на атмосферный воздух является сортировка или раздельный сбор ТБО.

Особое внимание необходимо обратить на возможное загрязнение диоксинами сточных вод от МСЗ. Количество этих вод зависит от совершенства технологии процесса на МСЗ. Для современных МСЗ расход воды составляет 2 - 3 м3 на 1 т ТБО и слагается из воды, охлаждающей шлак, растворов, применяемых в скрубберах, и смесей, образующихся при смыве осадков с фильтров.

Проблему диоксинов можно решить путем исключения из отходов хлорсодержащих материалов. Из-за этого были закрыты многие МСЗ в США. Но и сейчас во Франции действует более 300 заводов, в Германии - более 400. На большинстве из них применяются специальные меры снижения диоксиновой опасности. Сам состав отходов, поступающих в МСЗ за рубежом, более благоприятен из-за частичной сортировки населением. Кроме того, эти заводы оснащены системой регулирования и поддержания температуры сгорания, многоступенчатой системой очистки отходящих газов, стоимость которой составляет до 30% капитальных вложений в МСЗ.

Точные обобщенные данные о зарубежных МСЗ на сегодняшний день привести трудно, поскольку в связи с ужесточением требований к их работе они модернизируются, а в ряде случаев ликвидируются. После 90-х годов прошлого столетия МСЗ в странах ЕС практически полностью модернизированы.

Для типовых МСЗ РФ и стран СНГ характерно слоевое сжигание неподготовленных отходов. Система очистки выбросов, как правило, несовершенна и ограничивается электро - и механическими фильтрами. Отсутствует автоматическая система слежения за температурой в топке для обеспечения заданной полноты сгорания.

Последние две особенности дали основание проф.С. Юфиту, эксперту ООН, назвать российские МСЗ "помойкой на небе". Аналогичные заводы в Чехии переделаны полностью. Попытки усовершенствования были и в России: установлены дожигающие барабаны, введены дополнительные газовые горелки и увеличено время пребывания мусора в топке. Но даже при этом расчетную температуру горения (более 900о С) и время сгорания выдержать не удается. Расход дополнительного топлива повышает и без того большую стоимость процесса.

Особенно эта проблема является актуальной для несортированного мусора на юге России, где большая влажность отходов (до 60 - 70%) и низкая теплотворная способность приводит к падению температуры сгорания в 2 - 2,5 раза по отношению к расчетной и к увеличению доли шлака до 40 - 50% по массе вместо 7 - 10% по расчету. Вместо сгорания на этих режимах происходит деструкция ТБО с обильным выделением вредных веществ, включая диоксины.

На таких режимах работы МСЗ уменьшают массу отходов лишь в 1,5 - 2 раза (объем при этом уменьшается в 8 - 10 раз - за счет сгорания легких фракций) и существенно загрязняют окружающую среду. Опыты показывают, что для такого мусора из состава ТБО в дымовые газы попадает около 45% серы в виде окислов, существенно меньший процента азота, а хлора - от 60 до 85% от исходного состава. Оксиды металлов с низкими температурами кипения (алюминия, цинка и др.), как правило, выносятся вместе с летучей золой. Выход из положения заключается в сортировке ТБО на местах сбора населением. Только выделение пищевых отходов позволит повысить теплоту сгорания.

2) Высокий процент выхода золы  и шлаков при сжигании мусора. При сжигании ТБО зола и  шлак образуются в количестве 28 - 44% от сухой массы отходов. Если  сжигание производится без предварительной  сортировки, то золы образуется  на 3% больше, а шлака - на 20% больше  по сравнению со сжиганием  предварительно отсортированных  отходов. В целом шлака образуется  около 1 т на каждые 3 - 4 т сжигаемого  мусора.

Диоксины фиксируются золой-уносом (пылью, которая осаждается на фильтрах). В золе МСЗ обнаружено до 0,2 мкг диоксинов на 1 кг золы. Тяжелые металлы присутствуют во многих компонентах отходов. Они адсорбируются на шлаке или выделяются в виде примесей на летучей золе или в дымовых газах. Зола содержит различные тяжелые металлы (ртуть, кадмий, свинец, кобальт, никель, медь, хром, ванадий и др.) в виде солей или окислов. Содержание их в золе в последние годы повысилось за счет содержания в ТБО отработанных сухих гальванических элементов аккумуляторов, ламп накаливания, люминесцентных ламп, синтетических материалов (красителей, стабилизаторов), металлических покрытий, отходов термометров и др.

Концентрация тяжелых металлов в выбросах в 10 - 100 раз превышает их содержание в дымовых газах при сжигании каменного угля. Высокотоксичные вещества присутствуют в очень малых концентрациях, что затрудняет очистку. Такая зола не может накапливаться на обычных свалках. Золу МСЗ необходимо складировать в отвалах, защищенных от воздействия влаги и ветра, или подвергать специальной обработке, например, переводить в нерастворимую форму путем остекловывания. Золу также приходится отправлять на полигоны.

Золошлаковые отходы мусоросжигания относятся к 3 классу опасности, поэтому в необезвреженном виде их нельзя включать в асфальтобетонные или цементные изделия. Золошлаковые отходы мусоросжигания имеют существенные отличия по физическим свойствам и химическому составу от золошлаковых отходов ТЭС и металлургических предприятий, поэтому для их утилизации необходима разработка специальных технологий. Получены технологические решения, позволяющие нейтрализовать их, переводить в малоподвижные формы. В таком виде их можно использовать в промышленности строительных материалов и в дорожном строительстве. Из шлака изготавливают шлакоблоки для строительства. Такая технология позволяет утилизировать до 80% отходов, а остальные 20% используют в качестве инертного материала на полигонах ТБО для послойной изоляции отходов.

Поскольку санитарно-гигиенические требования к чистоте атмосферного воздуха постоянно повышаются, при проектировании МСЗ особое внимание должно уделяться совершенствованию систем очистки вредных выбросов. Все современные МСЗ должны быть оборудованы высокоэффективными пылегазоочистными устройствами. Стоимость таких устройств может достигать 50% общих капитальных вложений в строительство МСЗ. Поэтому технология прямого сжигания ТБО является самой дорогостоящей среди альтернативных технологий переработки ТБО.

Систему очистки отходящих газов МСЗ необходимо оснащать эффективными электрофильтрами, тканевыми (рукавными) фильтрами, угольными фильтрами, водяными скрубберами. Необходимо создание многоступенчатой системы очистки отходящих газов и постоянный автоматизированный контроль их качества.

Для улавливания твердых частиц применяют электрофильтры, что позволяет улавливать до 99,8% частиц. Электрофильтры и тканевые фильтры обеспечивают достаточно высокую степень очистки дымовых газов от пыли, но не решают проблему очистки от диоксинов, фуранов и тяжелых металлов. Реально снижают содержание диоксинов только угольные фильтры, на которых диоксины необратимо связываются. Предусматривают специальные установки для подачи активированного угля в трубопровод, соединяющий мусоросжигательный котел с реактором, в котором диоксиныадсорбируются на частицах активированного угля, а затем улавливаются в рукавных фильтрах.

Разработаны также специальные каталитические дожигатели диоксинов, совмещенные с дожигателями для окислов азота. Основой метода является гетерогенный катализ. Каталитическая очистка газов используется при малых концентрациях веществ. Это наилучший вариант очистки газов от диоксинов. Процесс протекает при температуре 200-300оС в специальных термокаталитических реакторах. В качестве катализаторов применяются металлы платиновой группы.

В водяных скрубберах вода, используемая для смыва осадков с фильтров, токсична и требует специальной очистки. Отходы от очистки сточных вод и илы с фильтров приходится отправлять на полигоны.

3) Уничтожение ценных компонентов  отходов.

4) Сложность и дороговизна импортного  оборудования, дефицит запчастей.

5) Убыточность МСЗ из-за высоких  эксплуатационных затрат. Большая  часть расходов МСЗ идет на  оплату энергоносителей - от 40 до 70 долларов  США за сжигание 1 т ТБО.

Все указанные недостатки не позволяют широко использовать метод сжигания для уничтожения ТБО. Метод сжигания на заводах по устаревшей технологии, без совершенных систем очистки (которые из-за высокой стоимости не внедряются), наносит существенный вред здоровью человека и всем компонентам экосистем. Многие МСЗ по требованию общественности прекращают свою деятельность. Все они убыточны, гораздо экологически опаснее зарубежных, физически и морально устарели. МСЗ в Приморье, единственный на Дальнем Востоке, часто простаивает.

В мировой практике также наметилась тенденция отказа от сжигания ТБО. В развитых странах (США, Японии, Канаде) МСЗ останавливают или закрывают, либо затрачивают миллионы долларов на переоборудование систем газоочистки. В Европейских странах за последние 10 лет не введен ни один МСЗ. В Германии общественность выступает против строительства заводов.

В России московская мусорная мафия захватила рынок мусора. Поступают заманчивые предложения решить проблему мусора в городах России путем строительства МСЗ, однако они встречают мощный общественный протест.

В последние десятилетия, особенно после ужесточения экологических норм в развитых промышленных странах, бурно расцвел бизнес, основанный на экспорте токсичных промышленных отходов. Фирмы получают огромные прибыли, занимаясь вывозом токсичных отходов в страны третьего мира. Россию также пытаются превратить в свалку отходов, в том числе радиоактивных. Почти каждое предложение иностранных фирм по поставке в Россию оборудования для МСЗ обусловливается обязательством перерабатывать на нем определенное количество отходов из западных стран, в то время как проблема утилизации собственных отходов у нас стоит очень остро.