5.5. Методи знешкодження відходів

магниевый скраб beletage

Відомі на сьогоднішній день і методи, що застосовуються в прак­тичній діяльності, можна об'єднати у три групи: 1. Ліквідаційні. Це ті, що застосовуються виключно з метою ізо­лювання і по можливості знищення зростаючої маси відходів без використання цінних речовин, які в них містяться. До цієї категорії належать дуже широко запроваджені у наш час методи захоронення сміття на звалищах різноманітного типу, як від­критих, так і удосконалених (багатоярусних, із земляним пере­криттям); спалення відходів у спеціальних пічках, часто дуже величезних за потужністю, використання сміття як баласту для вирівнювання негативних форм рельєфу тощо. До цієї ж групи методів відносяться методи, що застосовуються в багатьох ра­йонах земної кулі скидання відходів у прибережні акваторії мо­рів і навіть внутрішні водоймища, заповнення ними вироблених кар'єрів або шахт.

2. Частково ліквідаційні. Вони передбачають сортування маси від­ходів на спеціальних заводах для виділення найбільш легко ути­лізованих категорій сміття - вторинної сировини, органічних частин. Основна частина сміття спалюється.

3. Утилізаційні методи. За їх допомогою використовуються усі складові частини сміття - вторинна сировина, паливні части­ни, органічні речовини. Технологія подібної переробки відходів опирається на діяльність високомеханізованих сміттєперероб- них заводів (виробничі потужності яких зростають). Повна ути­лізація відходів досягається у результаті складного закінчено­го циклу виробничих процесів - сортування, з застосуванням магнітної сепарації і дроблення, біологічної переробки, піролізу або газифікації органічних речовин, спалення неутилізованих частин для отримання пари або енергії, використання вторинної сировини.

Найбільш сильний негативний вплив на якість навколишнього середовища мають відходи, усунуті ліквідаційними методами.

Знешкодження відходів шляхом захоронення їх на різноманіт­них смітниках базується на явищі природного самоочищення за­брудненого грунту. Застосування відходів і їх подальше, як прави­ло, дуже тривале розкладення, утворюють, по суті, новий грунтовий шар. Однак далеко не усі види відходів можна ізолювати в грунті, не викликаючи одночасно погіршення якості природних комплексів.

Токсичні речовини, металобрухт, гума, шлами очисних споруд і багато інших речовин не підлягають захороненню на звичайних зва­лищах, а потребують організації особливих спеціалізованих об'єктів для свого знешкодження, оскільки їх розклад викликає різке за­бруднення грунтових вод і грунту.

У техногенному кругообігу речовини ліквідаційні методи зне­шкодження відходів стають кінцевою ланкою, замикаючою круго­обіг, оскільки речовина знову повертається у природне середовище. Але її фізичний стан корінним чином відрізняється від тих форм, в яких вона існувала у природі до залучення у виробництво. Основна частина елементів і з'єднань, що містяться у закладованому смітті, з плином часу, під дією біохімічних реакцій набувають міграційної здатності і знову залучаються до кругообігу. Інтенсивність його при цьому надзвичайно слабка. Багато компонентів відходів (скло, мета­лобрухт, кераміка, кістки) можуть консервуватись у грунті на багато століть і таким чином вибувати зовсім з кругообігу.

Переважна частина твердих відходів (від 60 до 90%) у наш час накопичується на відкритих звалищах, де вони збираються стихій­но, без обліку їх виникнення, ступеня токсичності, умов природно­го знешкодження тощо. Антисанітарний стан таких місць і їх різ­кий негативний вплив на якість повітряного басейну, грунтових і поверхневих вод і продуктивного грунтового шару загальновідомі. Неупорядковані звалища стають ідеальним місцем для розмножен­ня комах і гризунів, сприяючи тим самим виникненню інфекційно небезпечних осередків; вони поширюють пил, дим, запах. Для їх ор­ганізації необхідно відчуження значних за площею продуктивних земель. Згідно з дослідженнями з 1 га звалища потужністю до 10 м щорічно вимивається у грунтові води до 2110 кг хлоридів і 1070 кг натрієвих солей. При дослідженні 580 звалищ у Швейцарії вияви­лось, що 71% з них викликає забруднення повітря, 76% служать роз­садниками гризунів, а 25% пожежонебезпечні.

Тим більше, що навіть у розвинутих в економічному відношенні країнах знешкодження сміття відбувається, головним чином, за раху­нок так званої "ізоляції" на відкритих звалищах. Наприклад, у Німеч­чині 63% усіх відходів концентрується у таких місцях, у США - 90%, в Австрії - 30% тощо. Ще вищий цей показник в країнах, що розви­ваються, де економічні труднощі відвертають увагу від проблеми пра­вильного знешкодження сміття.

Достатньо прості за організацією і в той самийе час набагато більш гігієнічні і удосконалені звалища, де сміття вкладається в де­кілька ярусів, утрамбовується і засипається землею. В подальшому на закритих звалищах можна проводити лісові насадження, повер­таючи ландшафту його естетичну привабливість. Але такі звалища утворюються лише при наявності вільних земель, на певній від­стані від житлових забудівель, в умовах водонепроникних грунтів або низького розміщення підземних вод. Використовувати грунт подібних накопичень, що перегнивають, неможливо, тому що він виявляється дуже забрудненим. У результаті виникає дефіцит зе­мельних угідь поблизу урбанізованих зон, і практично повна неути- лізованість відходів примушує розглядати удосконалені звалища як і дешевий, але нераціональний метод знешкодження.

Велика кількість сміття часто спалюється на відкритому пові­трі, щоб ліквідувати надмірне накопичення відходів в одному місці. Тільки в США таким чином знищують 45% міського сміття. А всьо­го у світі спалюють без використання тепла близько 20% загальної маси побутових відходів, тобто 180-150 млн т. Але цей метод зне­шкодження відходів далеко не нешкідливий. При спалюванні в по­вітря планети надходить 255 тис. т сірчаного газу, 210 тис. т соляної кислоти, 90 тис. т окисів азоту і інші газоподібні з'єднання. Просте спалювання твердих побутових і промислових відходів, яке часто диктується нелбхідністю швидкої ліквідації їх зростаючої маси, ви­являється нераціональним заходом не тільки тому, що при цьому існує небезпека забруднення повітряного басейну. В умовах заго- стреногося дефіциту енергії сміття може виступати і як додаткове енергетичне джерело тепла, яке виділяється при його спаленні, воно належить обов'язковому використанню.

Утилізаційні методи знешкодження відходів у наш час набува­ють все більшого поширення. Будь-яка утилізація передбачає попе­реднє сортування гетерогенної за властивостями і видами маси від­ходів і потім послідовну диференційовану обробку.

На заводі з переробки відходів одночасно здійснюється декілька варіантів утилізації відробленої сировини: органічна частина від­ходів підлягає компостуванню, вторинна сировина (металобрухт, утильний папір, ганчір'я і ін.) надходить у регенерацію, паливні, але неутильні частини сміття спалюються, і при цьому тепло, яке виділяється, використовується для виробництва пари або електро­енергії. Зола і шлаки в подальшому використовуються для утворен­ня асфальтових шляхових блоків, для засипання викопів грунту і в інших цілях.

Компостування є біотермічним засобом знешкодження відхо­дів. У природних умовах сміття підлягає дії особливих термофіль­них мікроорганізмів, які окислюють органічні речовини, виділя­ючи при цьому значну кількість тепла. Маса, що перероблюється, саморозігрівається до температури порядку 60-70°. На 1 кг сміття може виділитись до 1260 кДж тепла, яке розкладає складні органіч­ні з'єднання на більш прості, але більш стійкі і нездатні до гниття з'єднання. Таким чином, органічна речовина відходів перетворю­ється в компост, близький за складом і властивостями до гумусу. Він виявляється найціннішою сировиною для проведення хімічних сільськогосподарських заходів, оскільки містить за вагою 2,5-3,0% азоту, фосфору і калію, 6% вапна і 25-30% вуглецю (в розрахунку на суху речовину). При внесенні 30 т компосту на 1 га угідь у грунт до­датково вноситься до 435 кг поживних речовин і до 1000 кг вапняку. За вмістом мінеральних добрив компост лише трохи поступається гною, а за вмістом вапняку - навіть перевищує його.

Компостування відбувається як в особливих штабелях на від­критому повітрі, так і в спеціальних біотермічних критих камерах.

Питома вага органічних залишків у побутових відходах може іс­тотно змінюватися в окремих країнах і навіть в окремих містах. Напри­клад, у Великобританії вони складають 15% загальної маси сміття, в Нідерландах - 29%, у США - 68%, у Швейцарії - 50%, у Польщі - 37%. Для компостування можна використовувати виключно побутове сміт­тя, оскільки в промислових відходах можуть знаходитись токсичні або отруйні речовини.

На Московському сміттєпереробному заводі потужністю 500 тис. м3 з побутового сміття щорічно отримують 60 тис. т компосту, який іде на удобрення сільськогосподарських угідь. Одночасно ви­робляється 60 тис. т пари.

Спалювання маси відходів (без використання тепла, що виді­ляється) вперше було пристосовано в Англії в 1876 р., але широке розповсюдження цей метод отримав лише у 60-роки ХХ століття, коли технічний прогрес дозволив утворити принципово нові кон­струкції сміттєспалювальних печей, обладнаних спеціальними при­ладами для усування золи, очищення газових викидів тощо. Більше 40% міст світу з населенням більше 1 млн чол. і 50% європейських міст цієї категорії мають подібні заводи.

Теплотворність сміття достатньо висока і вона продовжує зрос­тати по мірі зміни структури його складових. Так, за дослідженнями ЕРА (США) побутове сміття має в середньому теплотворну здат­ність 12,1 кДж/кг, що порівнюється з теплотворністю бурого ву­гілля. Приблизно такими же величинами вимірюється енергетична можливість міських відходів у Варшаві. Однак буре вугілля містить у 2,5 рази більше вологи і у 10-20 разів більше сірки, і ця обставина збільшує енергетичну цінність відходів.

У середньому з 1 т відходів можна отримати 1000 кг пари і 150 кВт електроенергії, хоча ці параметри змінюються в залежності від складу відходів і потужності підприємств. Після спалення залиша­ється від 40 до 50% за вагою тепла і шлаку. У наш час вважається, що місто з населенням у 500 тис. чол. може дати 1000 т відходів у день, і ця кількість здатна на 7% покривати витрати в паливі для енерго­блока потужністю 500 мВт.

У зв'язку зі зміною структури відходів відбувається збільшення їх теплотворної здатності. За розрахунками спеціалістів у Німеччи­ні 10 років тому вона складала 800-1500 ккал/кг, в наш час досягла 2500 ккал/кг, а до кінця століття зросте до 3300 ккал/кг.

За ступенем утилізації тепла заводи підрозділяються на дві групи:

1) ті, що не використовують тепло - це невеликі підприємства, що епізодично працюють;

2) ті, що використовують тепло для виробництва пари або електро­енергії.

Цей процес здійснюється на середніх за потужністю (близько 100 т/доб) і великих (більше 200 т/доб) підприємствах неперервно­го циклу, причому в печах може спалюватися не тільки одне сміття, але і інша паливна сировина (мазут, газ, вугілля). Дефіцитність ба­гатьох традиційних видів органічного палива змушує більш серйоз­но оцінювати енергетичні можливості відходів.

У ряді європейських країн використання енергії при спалюван­ні сміття здійснюється вже багато років. В Амстердамі протягом 60 років сміття спалюють у парових генераторах високотемпературних турбін. При цьому виробляється близько 6% енергії, яка спожива­ється містом. Застосування цього методу в Німеччині дозволяє по­кривати більше 20% побутового споживання електроенергії в ціло­му по країні.

Розрахунки американських вчених також свідчать про дуже сер­йозні перспективи енергетичного використання відходів. Паливні категорії сміття у відходах США обчислюються орієнтовно вели­чиною в 136 млн т, а їх теплотворна здатність 54,7 млн т вугілля з низьким вмістом сірки або 29 млн т нафти.

Всього у світі щорічно спалюється промисловими засобами близько 6% побутового сміття (50 млн т), що дає світловому госпо­дарству 7,5 млрд кВт/г енергії і 500 тис. т пари.

В останні роки розроблена технологія виробництва з органіч­них частин відходів газу та нафти при допомозі піролізу. Технологія переробки сміття на піролізних установках зводиться до такої схе­ми: після дроблення та сушіння із сміття вилучають усі неорганічні частини, а решта маси нагрівається до температури більше 485° без доступу кисню. Як показують експериментальні дані, з 1 т органіч­них відходів у процесі піролізу добувається 160 л нафти з низьким вмістом сірки, 70 кг вугілля, що за теплотворністю не поступається кам'яному вугіллю, і деяка кількість газу. Однак отримана при цьо­му нафта має достатньо низьку теплотворність (близько 58% при­родної), і її не можна використовувати для виробництва бензину, мазуту і мастильних матеріалів.

Газ з відходів має теплотворну здатність у 3730 кДж/ м3, а су­путні хімічні з'єднання не дозволяють застосовувати його як газо­турбінне паливо. До тих пір, доки не буде розроблена більш сучасна технологія піролізу відходів, газ та нафту, видобуті з відходів, мож­на використовувати лише у вигляді домішок до палива на сміттєс­палювальних заводах.

Вартість переробки відходів шляхом піролізу набагато дешев­ша, ніж їх спалювання на спеціалізованих заводах, і в той же час цей спосіб більш сприятливий по відношенню до навколишнього серед­овища.

Сміттєспалювальні заводи, на яких здійснюється ліквідація відходів без попереднього розділення їх на категорії для подаль­шої утилізації, широко утворюються в колишньому Радянському Союзі. Вони мають високу виробничу потужність, майже цілком механізовані і, отже, повністю відповідають потребам очищення на­вколишнього середовища від непотрібних і шкідливих накопичень. Для запобігання витоку при спалюванні сміття газоподібних полю- тантів на заводах встановлюють особливі газоочисні споруди (елек­трофільтри і т. ін.). Тепло, яке виділяється, використовується для опалення.

Розрахунками встановлено, що економічно ефективно будувати сміттєпереробні заводи у великих містах з населенням на менше 1,5­2 млн чол., при яких щорічне находження відходів буде близь 400­500 тис. т у рік. При цьому на базі заводу утворюються розвинуті теплично-парникові господарства.

Обмеженість первісних матеріальних ресурсів примушує роз­глядати багато категорій відходів як дуже важливе сировинного джерела. Металобрухт, папір, ганчір'я і інші види непотрібної про­дукції при організації їх збирання, віддалення і утилізації можуть бути повторно включені у виробництво. Вторинна сировина скла­дає за обсягом 15-25% загальної маси відходів, а в деяких випадках цей показник виявляється ще значнішим.

Про сировинні можливості сміття свідчать такі факти: в США половину міді, що виробляється, і третина виплавленого алюмінію отримують із вторинної сировини, а за окремими елементами частка регенерованої речовини складає у відсотках (%): сурма - 61, сви­нець - 35, золото - 29, залізо - 28, олово - 26, нікель - 24, ртуть - 21, срібло - 21, платина - 25, цинк - 5, вольфрам - 3 тощо.

Розміри регенерації залежать від тривалості "життя" виробу, темпів зростання його виробництва і споживання кінцевого виду виробу.

Величезні маси вторинної сировини зконцентровані в старих ав­томашинах. Тільки в США щорічно потрапляє на звалища близько 7 млн старих автомашин, в яких консервується приблизно 23 млн т різноманітних речовин. Всього в наш час у країні можна запустити в переробку до 20 млн застарілих і накопичених на звалищах машин, тобто близько 65 млн т вторинної сировини.

Загальний метод утилізації викинутих автомобілів, розбирання деталей або пакетування - досить трудомістка і дорога операція. В Німеччині утворений спеціальний завод, що перероблює у рік до 200 тис. автомашині на якому застосована нова технологія, що різко скорочує втрати металу і час на утилізацію однієї машини. В Бельгії для переробки машин застосовують рідкий азот, під дією якого за­лізо і сталь стають ламкими і піддаються подрібненню і сепарації; в Японії була сконструйована високотемпературна піч ("карбек'ю"), в якій досягається диференційована виплавка цинку, свинцю, алюмі­нію і слабоокислювальної сталі.

Майже половину усіх міських відходів складає папір. Аналіз його сировини і енергетичних можливостей вказує, що на виробни­цтво 1 кг паперу витрачається 48,6 кДж енергії, а при його спалю­ванні виділяється лише 17,2 кДж/кг.

Отже, при спалюванні макулатури втрачається безпосередньо 64% енергії, і тому паперові відходи раціональніше використовува­ти як вторинну сировину, а не для виробництва енергії.

В сільському господарстві нині діють інші методи знешкоджен­ня відходів. Загальну масу відходів дають тваринницькі господар­ства, де скот утримується в санітарних умовах. Відходи, що виника­ють у рослинницьких галузях сільського господарства, в основному або перероблюються на силос, або згодовуються худобі, або ком­постуються, але деяка їх частина також надходить на звалища, де і перегниває. Однак, і за обсягом, і за ступенем дії на навколишнє середовище ці відходи не йдуть ні в які порівняння з відходами тва­ринницьких господарств.

Величина відходів тваринного походження дорівнює 21 млрд т. Ця маса знешкоджується єдиним способом - за рахунок природно­го розкладення і мінералізації в грунтовому шарі. При стійловому утриманні скота відходи збираються і використовуються у вигляді органічних добрив на сільськогосподарських угіддях, при пасовищ­ному - вони розсіюються і знешкоджуються стихійно, не змінюю­чи при цьому напрямку міграції органічної речовини в природному кругообігу.

Масштаби міграції визначаються досить високими параметра­ми: у грунт щорічно у процесі мінералізації тваринницьких відхо­дів, надходить одних тільки азотних з'єднань до 100-105 млн. т. При цьому відбувається мікробіологічне розкладення і гідроліз азотов­місних органічних речовин і в результаті утворюються нітрати, які добре вимиваються. В слабогумусових грунтових різновидах або в присутності деяких пестицидів вміст нітратів у продуктивному шарі різко зростає. Якщо в невеликих дозах ці з'єднання не викликають помітних порушень у грунті, то при перевищенні певного рівня концентрації нітратів виникає зруйнування структури грунту, по­силюється ерозія, а в глиняних грунтах відбувається ущільнення і затвердіння продуктивного шару.

Вирощені на таких грунтах овочі характеризуються вкрай ви­сокими рівнями концентрації нітратного азоту, що досягають іноді 0,2-0,5%. Подальшим шляхом мікробіологічних перетворень нітра­ти можуть перетворюватись у високотоксичні нітрати, потенційно небезпечні і для людей, і для свійських тварин. Це примушує з осо­бливою ретельністю контролювати норми внесення гною у грунт.