Физико-химические свойства золошлаковых отходов мусоросжигательных заводов

ВВЕДЕНИЕ

Отходы МСЗ, выделяющиеся в окружающую среду состоят из отходящих газов, летучей золы, шлака, технической воды, ее осадка и сточных вод. Помимо нормативных, существуют еще и непредвиденные выбросы, которые в газообразном виде или в виде твердых частиц выделяются в окружающую среду во время разгрузки отходов, помещения их в печь, сжигания, извлечения золы, ее транспортировки и захоронения. Они происходят также в виде утечек и испарений жидких отходов через вентили, прокладки, клапаны.

Глава 1. Влияние мусоросжигательных заводов на окружающую среду

Постоянные и непредвиденные выбросы МСЗ

Уменьшить эти выбросы можно поддерживая в помещениях МСЗ пониженное давление. NRC указывал: «Хотя на МСЗ и используют вполне современные методы обращения с отходами, только на некоторых из них производственный цикл полностью исключает проникновение случайных выбросов в цеховые помещения».

Случайные выбросы, выделяемые непосредственно над уровнем земли, часто более опасны для окружающей среды, чем выбросы из труб заводов, т.е. на некоторой высоте, хотя распространение и тех и других зависит от сочетания множества факторов: вид местности, присутствие вблизи завода зданий или зеленых насаждений, направление и скорость ветра, погодные условия, относительная влажность воздуха и т.д.

Исследования загрязнения окружающей среды

Постоянные и случайные выбросы поступают в окружающую среду и могут осаждаться в непосредственной близости от МСЗ. Загрязняющие вещества, такие как полихлорбифенилы, диоксины и фураны могут переноситься по воздуху на значительные расстояния. Подсчитано, что только около 2% диоксинов остаются в почве прилегающих к МСЗ территорий.

Большинство исследований, посвященных выбросам МСЗ, фокусируются на диоксинах и тяжелых металлах, игнорируя другие загрязняющие вещества. Эти исследования показывают, что почвы и растительность в окрестностях МСЗ накапливают в себе концентрации диоксинов и тяжелых металлов, значительно превышающие фоновые уровни. Это значит, что сельхозпродукты, например, зерно, выращенные в непосредственной близости от МСЗ, также содержат загрязняющие вещества.

В Нидерландах, Франции и Бельгии из-за повышенного содержания диоксинов было запрещено употребление молока, полученного от коров, в рацион которых входила растительность с прилегающих к МСЗ территорий. Было также рекомендовано не употреблять в пищу произведенные там яйца и свинину.

Почвы и растительность

Почвы и растительность могут служить индикатором загрязнения атмосферы тяжелыми металлами и диоксинами. Уровни тяжелых металлов и диоксинов широко используются для описания долговременного воздействия этих веществ на окружающую среду. Исследуя растительность, можно судить также о краткосрочных воздействиях диоксинов.

Диоксины и тяжелые металлы оседают на листьях и частицах почвы, а тяжелые металлы могут проникать в растение также через поры и корневую систему. Диоксины через корневую систему в растение не поступают.

Диоксины

Кроме МСЗ существует множество других источников диоксинов. Тем не менее, данные исследований показывают, что в непосредственной близости от МСЗ почвы содержат уровни диоксинов, значительно превышающие фоновые. Кроме того установлено, что концентрации диоксинов уменьшаются по мере удаления от МСЗ, что подтверждает версию о их происхождении.

В исследовании 1996 г. уровни диоксинов в почвах у МСЗ в Испании в 2,1-7,5 раз превышали фоновые показатели. В исследовании почвы с подветренной стороны МСЗ в Японии были обнаружены исключительно высокие уровни содержания диоксинов (252 и 211 пг/г).. Концентрации эти чрезвычайно высоки, так как в промышленно развитых странах Северной Америки и Европы фоновые уровни содержания диоксинов в почве составляют около 3,6 пг/г для сельскохозяйственных районов и 11,9 пг/г для городов. Исследования показали, что высокие уровни диоксинов в почвах достоверно коррелируют с повышением количества случаев заболеваемости раком в районах, прилегающих к заводу.

В 1993 г. было сообщено о повышенных уровнях диоксинов в почвах в районе МСЗ «Шэнкс» в Уэльсе (Великобритания). Максимальные уровни составляли 1740 пг/г. Исследования показали, что повышенные уровни диоксинов образовались в первую очередь за счет случайных выбросов во время транспортировки и захоронения золы. Завод был переоборудован, и по сравнению с 1993 г. уровень диоксинов снизился на две трети. Однако выбросы ПХБ до сих пор составляют 2 нг/м3, при том, что средний уровень по стране в городских районах обычно не превышает 0,5 нг/м3 и лишь в редких случаях достигает 1 нг/м3

В 1998 г. на МСЗ «Монкада», Барселона (Испания), уровень диоксинов в почве составлял 0,06-127,0 пг/г при фоновом уровне для этого региона, равном 9,95 пг/г. Исследования показали также, что МСЗ оказывают влияние на уровень диоксинов в растениях, так как он изменялся по мере удаления от завода – источника выбросов.

Тяжелые металлы

Тяжелые металлы, поступающие в окружающую среду с выбросами МСЗ, могут накапливаться в почве, растениях, других живых организмах. По пищевой цепи и через воду они попадают в организм человека. Взрослое население, и в особенности дети, проживающие недалеко от МСЗ, вдыхают тяжелые металлы вместе с пылью и мельчайшими частицами почвы. Кроме того, тяжелые металлы способны проникать в организм человека через кожу.

В 1991 г. исследование почв вокруг МСЗ в Италии показало шестикратное превышение уровней содержания свинца в них по сравнению с фоновыми значениями. Исследования по определению содержания свинца и кадмия в почвах около МСЗ «Балдови» (Великобритания), проведенные в 1998 г. показали, что завод является основным источником распространения этих металлов на расстояние до 5 км от его территории.

Исследования МСЗ в Бирмингеме (Великобритания), проведенные в 1999 г. показали наличие свинца и кадмия в поверхностной пыли вблизи завода.

Другие исследования показали связь уровней содержания свинца и кадмия в листве деревьев и расстоянием от этого завода. Таким образом, было показано, что даже МСЗ оборудованные современными очистными установками способны выделять в атмосферу значительное количество тяжелых металлов (свинец и кадмий).

Другое аналогичное исследование на МСЗ в Нью-Джерси показало, что уровень содержания ртути в листве деревьев близлежащих территорий зависит от расстояния до этого завода.

Коровье молоко

Исследования, проведенные в 90-х гг., показали повышенные уровни диоксинов в молоке коров, в рацион которых входила трава с пастбищ, расположенных вблизи МСЗ.

Исследование, проведенное в Нидерландах в 1990 г., показало повышенные уровни содержания диоксинов в молоке коров (до 13,5 пг/г жира). Это привело к установлению правительством Королевства Нидерланды предельного содержания диоксинов в молоке в 6 пг/г жира. Через некоторое время те же предельно допустимые уровни были установлены в Германии, Австрии и некоторых других странах.

В Великобритании необыкновенно высокие уровни содержания диоксинов в молоке (до 1,9 пг/г цельного молока, что соответствовует 48 пг/г жира) были обнаружены в районе завода по утилизации химических отходов в Дербишире. В 1991 г. этот завод был закрыт.

Более поздние исследования, проведенные в Великобритании, показали, что в окрестностях 2 из 8 МСЗ в 1993-1995 гг. содержание диоксинов в молоке превышало установленную норму (6 пг/г жира). Так, в 1995 г. в молоке, полученном вблизи МСЗ в Бристоле, содержание диоксинов равнялось 6,1 пг/г жира, а в молоке, полученном недалеко от МСЗ в Западном Йоркшире, содержание диоксинов колебалось от 3,1 до 11 пг/г жира. В 1996 г. исследование уровня диоксинов в молоке, полученном на той же территории в Западном Йоркшире показало, что загрязнение остается на высоком уровне. Концентрации диоксинов составляли 1,9-8,6 пг/г жира. Год спустя МСЗ был закрыт из-за несоответствия современным стандартам на выбросы в атмосферу загрязняющих веществ.

Выбросы МСЗ

Сжигание приводит не к полному уничтожению отходов, а лишь к трансформации в другие виды – выбросы отходящих газов, летучую золу и шлак, которые в тех или иных количествах оказываются на прилегающих к заводу территориях. В случаях использования на заводе воды к перечисленным выше выбросам добавляются жидкие стоки.

Существует всеобщее заблуждение, что вес и объем отходов в процессе сжигания значительно уменьшается. Действительно, вес золы составляет около трети первоначального веса сжигаемых отходов при потере 90% его объема. Однако, эти данные не выдерживают критики при более пристальном изучении процесса. Если суммировать все выбросы МСЗ, их объем превысит первоначальный. Обычно не принимаемый в расчет СО₂ , полученный при взаимодействии кислорода с углеродом сжигаемых соединений, увеличивает реальный вес отходов после процесса сжигания. Значительные объемы отходов составляют используемая на производстве вода и ее осадки.

Для сравнения объема отходов до и после сжигания обычно берут объем непрессованных отходов. Современные технологии позволяют снижать объем отходов путем их прессования в 5 и более раз. Если сравнивать объем спрессованных отходов и твердых отходов после сжигания, разница составит всего 45%.

В печи заводов по сжиганию бытового мусора обычно поступает смесь различных отходов, что способствует образованию новых опасных соединений или высвобождению веществ, изначально присутствовавших в связанном состоянии. Например, тяжелые металлы сохраняются в своем первоначальном виде или образуют оксиды, хлориды или фториды.

Состав выбросов МСЗ зависит от сжигаемых материалов. Например, сжигание материалов, содержащих хлорорганические компоненты, приводят к образованию соляной кислоты и диоксинов. Состав выбросов также зависит от систем очистки, применяемых на МСЗ. Однако какая бы система очистки не использовалась, загрязняющие вещества продолжают поступать в атмосферу. Эти вещества включают тяжелые металлы, ряд хлорорганических соединений (диоксины и др.), оксиды азота и серы, соляная кислоты, фтористый водород, углекислый газ. В докладе NRC отмечалось: «…к веществам, оказывающим отрицательное воздействие на окружающую среду и здоровье человека, относятся соединения серы, азота, хлоорганические соединения, токсичные металлы. Особое внимание следует уделять SO_X , CO, NO_X , HCl, свинцу, кадмию, ртути, хрому, мышьяку, бериллию, фуранам и диоксинам, полихлорбифенилам, и полициклическим ароматическим углеводородам…»

В последние годы во многих странах были введены новые стандарты на выбросы в атмосферу загрязняющих веществ, что привело к закрытию или переоборудованию многих МСЗ. Например, в Великобритании из 780 МСЗ, функционировавших в начале 90-х гг. (30 заводов по утилизации бытовых отходов, 700 заводов по утилизации медицинских отходов, 40 МСЗ, принадлежавших химическим компаниям, 6 заводов по утилизации осадков сточных вод, 4 завода по утилизации опасных отходов) к 1999 г. осталось 110. В 2001 г. в Великобритании функционировало всего 12 заводов по сжиганию бытовых отходов. Закрытие и переоборудование МСЗ привело к значительному уменьшению выбросов токсичных веществ в атмосферу.

Исследование, проведенное в Нидерландах, показало, что выбросы в атмосферу диоксинов также значительно сократились. Наиболее совершенные германские технологии, разработанные в начале 90-х годов, позволили уменьшить выбросы в атмосферу в 10 раз.

Несмотря на огромный прогресс, проблема выбросов МСЗ не исчезла полностью, она лишь переместилась в другую плоскость, поскольку теперь большее количество диоксинов поступает в окружающую среду вместе с золой. В 2000 г. Европейское агентство по охране окружающей среды предупреждало, что положительный эффект от снижения выбросов вскоре может быть сведен к нулю вследствие роста объемов сжигаемых отходов. Например, в Великобритании после закрытия ряда МСЗ вследствие их несоответствия современным стандартам, правительство внесло предложение о введении в эксплуатацию 177 новых заводов.

Наиболее тщательно регулируются газообразные выбросы, так как их токсичные компоненты могут распространяться воздушными потоками. Однако другие отходы МСЗ также содержат загрязняющие вещества и, таким образом, могут наносить вред здоровью человека, возможно, менее очевидный, но не менее реальный.

Диоксины

Полихлорированные диоксины (ПХДД) и полихлордибензофураны (ПХДФ) относятся к группе, включающей более 200 различных изомеров. Наиболее широко известен 2,3,7,8-ТХДД, который считается канцерогеном и самым токсичным веществом, известным человечеству. Диоксины токсичны, устойчивы, способны к накоплению в биологических цепях.

Оказалось, что в выбросах МСЗ присутствуют бромированные диоксины и диоксины, в состав которых входят как хлор, так и бром, которые расцениваются, как равно токсичные с диоксинами, содержащими хлор. Тем не менее, до сих пор вопросы регулирования выбросов касаются только диоксинов, содержащих хлор.

Образование диоксинов

Диоксины являются побочными продуктами многих процессов сжигания в которые вовлечены хлор и его производные. Диоксины присутствуют в выбросах всех МСЗ. Исследования показали, что они могут разлагаться в процессе сжигания и вновь образовываться по окончании этого процесса при изменении температурного режима.

Диоксины, присутствующие в выбросах, в основном являются вновь образованными из хлорбензолов и хлорфенолов, источником которых является ПВХ – типичное составляющее бытовых отходов. Отходы часто содержат диоксины еще до сжигания. Тем не менее, доказано, что в процессе сжигания образуются новые диоксины. Например, анализ балансов масс показал превышение количества диоксинов в продуктах сгорания над их содержанием в бытовых отходах, поступивших на сжигание.

В исследовании, проведенном на восьми МСЗ Испании, были получены следующие результаты. В поступающих отходах содержалось диоксинов в количествах 79,8 г/год, в газообразных выбросах после сжигания - 1-1,2 г/год, в летучей золе – 46,6-111,6 г/год и в золе – 2-19 г/год.

Учет выбросов диоксинов при сжигании отходов

С 80-х до середины 90-х гг. МСЗ были основными источниками выбросов диоксинов. Например, голландская правительственная организация RIVM отмечала, что в 1991 г. МСЗ были ответственны за 79% выбросов диоксинов в стране. В 1995 г. в Великобритании заводы, на которых сжигали бытовые отходы, производили 53-87% выбросов диоксинов. В США МСЗ приписывалось 37% выбросов диоксинов. Усреднение данных по 15 странам показало, что МСЗ производят более 50% всех выбросов диоксинов. Несмотря на усовершенствованные технологии, установлено, что в 1998-1999 гг. МСЗ Дании продолжали оставаться основными источниками диоксинов с годовым выбросом 11-42 г. Еще 35-275 г присутствует в захораниваемой золе.

В публикации 1997 г., цитированной ЕС, говорилось, что заводы, сжигающие опасные отходы, производят до 40% диоксинов Европы.

Другие органические вещества

Среди других наиболее опасных органических веществ в выбросах МСЗ основное внимание следует уделить устойчивым высокомолекулярным соединениям. В основном это полиароматические углеводороды (ПАУ) и несколько групп высокотоксичных, содержащих хлор веществ, включающих ПХБ и полихлорнафталины (ПХН), хлорбензолы и хлорфенолы.

Хлорбензолы

Хлорбензолы также присутствуют в выбросах МСЗ. Особое значение имеет гексахлорбензол (ГХБ) – полностью замещенная форма бензола. ГХБ устойчив, токсичен, способен к бионакоплению. Он токсичен для водной флоры и фауны, для наземных животных и растений, для человека. Ранее он использовался в качестве пестицида и гербицида. Исследования показали, что ГХБ может усиливать токсичность молока кормящих женщин, обусловленную диоксинами. Он отнесен МАИР к группе канцерогенов 2B («возможный канцероген для человека»). ГХБ оказывает влияние на развитие плода, функционирование печени, иммунной системы, почек и центральной нервной системы. Наиболее чувствительными к его воздействию являются печень и нервная система.

Хлорфенолы

Группа фенолов, найденных в выбросах МСЗ, включает 14 хлорированных, 3 бромированных и 31 смешанных соединений. Помимо того, что эти соединения сами по себе токсичны, они представляет опасность еще и как основа для образования диоксинов: из двух фенольных колец может образоваться одна молекула диоксина.

Полиароматические углеводороды (ПАУ)

Группа побочных продуктов горения органических соединений. Некоторые из них устойчивы, токсичны, способны к бионакоплению, канцерогены. При избытке кислорода количество образующихся ПАУ зависит от состава отходов и температурного режима. Общий выброс ПАУ от МСЗ в атмосферу составляет 0,02-12 мг/м3.

Тяжелые металлы

Многие тяжелые металлы токсичны уже при низких концентрациях, некоторые из них устойчивы и способны к бионакоплению. Тяжелые металлы поступают в печь МСЗ в составе различных отходов. После уменьшения объема сжигаемой массы, их концентрация в золе возрастает до 10 раз. Преимущественно тяжелые металлы (кроме ртути) концентрируются в летучей золе МСЗ, однако они представлены и в газообразных выбросах. Так, ртуть преимущественно выводится с газообразными выбросами МСЗ.

Ртуть в основном содержится в батареях, флюорисцентных лампах и красках. Кадмий – в красках, ПВХ и пигментах, используемых для его окрашивания. Свинец присутствует в батареях, пластмассах и пигментах. Сурьма - в замедляющих горение веществах, используемых при изготовлении пластиков.

В странах ЕС в 1990 г. МСЗ были ответственны за выбросы в атмосферу 8 % (16 т.) кадмия, 16 % (36 т.) ртути. Валовые выбросы хрома от МСЗ составляли 46 т., а свинца - 300 т. Для предотвращения выбросов тяжелых металлов в последующие годы был разработан ряд фильтрующих устройств. Например, рукавные фильтры задерживают до 95% тяжелых металлов (что означает увеличение их концентрации в летучей золе) за исключением ртути.

Выбросы ртути остаются одной из основных проблем МСЗ. Почти 100% ртути в газообразном состоянии выбрасывается в атмосферу, поскольку она не оседает на фильтрах, на частицах пыли и почти не остается в золе. 20-50% выбросов составляет молекулярная ртуть, оставшаяся часть присутствует в виде соединений двухвалентной ртути. После выбросов в атмосферу растворимая двухвалентная ртуть в основном оседает в окрестностях МСЗ. Молекулярная ртуть, с другой стороны, до того как превратиться в двухвалентную и осесть, может переноситься на большие расстояния.

Глава 2. Некоторые физико-химические свойства золошлаковых отходов мусоросжигательных заводов

токсичный выброс мусоросжигательный переработка

Термический метод обезвреживания твердых бытовых отходов (ТБО) на мусоросжигательных заводах (МСЗ) сопровождается образованием вторичных золошлаковых отходов. К ним относятся шлак и летучая зола, количество которых зависит от вида топки и режима ее работы, а также от исходного состава ТБО. Кроме шлака и летучей золы присутствуют и продукты реакции, образующиеся в результате взаимодействия специальных реагентов (СаО, Са(ОН)₂ и др.) с вредными веществами, содержащимися в ТБО (сера), в дымовых газах (S0₂ , HCI, HFи др). Количество образующихся продуктов реакции зависит от исходного состава ТБО, оборудования и схемы очистки отходящих газов.

В золошлаковых отходах МСЗ № 2 летучая зола совместно с продуктами газоочистки составляет до 15 % (т.е до 3,6 % общего объема ТБО), в том числе продукты газоочистки — до 3 % (т.е. до 0,7 % общего объема ТБО).

При анализе набора оксидов в шлаке (табл. 1) авторами выявлены наиболее вероятные источники происхождения любого оксида, а для некоторых можно предложить организационно-технические мероприятия, снижающие их концентрацию в шлаке. Так, например, основным источником Si0₂ с большой вероятностью можно считать уличный смет. Отсюда следует, что целесообразно складировать уличный смет отдельно от ТБО.

Уменьшение доли СаО связано с улучшением качества бетонных изделий и дорожных покрытий, где кальций Является одним из распространенных вяжуших. Уменьшение содержания Fe₂ 0₃ прежде всего связано с сокращением объемов стеклянной тары и ростом объемов ПЭТФ-тары для пищевых продуктов. Авторы считают, что поиск наиболее рациональных технологий обращения со шлаковыми отходами МСЗ следует вести в технологиях стекловарения. В табл. 2 приведены данные по составам оконного стекла и шлака, из которых следует, что химический состав шлака близок к химическому составу шихты для изготовления стекла и стеклоэмалей.

Анализ фракционного состава показывает, что температура и время пребывания в топочном пространстве достаточны для плавления стекла. Неплавленное стекло соответствует мелким фракциям, которые проваливаются на первых секциях колосниковой решетки, т.е. там, где средняя температура в слое ТБО ниже 550 — 600 "С. На последних секциях крупные куски стекла подверглись более полному переплаву, и их доля, в общем количестве стекла, резко возросла. Следовательно, полного переплава стекла можно добиться при его переработке внутри слоя горения ТБО, что соответствует данным о температурных режимах стекловаренных печей, т.е. 1000 - 1100 "С.

Из опыта эксплуатации МСЗ № 2 следует, что при термической технологии обращения со шлаком влажность шлака, выгружаемого из шлаковой ванны после шлаковыталкивателя составляет 20 22 г и в значительной мере определяет величину непроизводительных потерь энергии. Также влага впитывает повышенный расход реагентов.

В атмосфере мусоросжигательной печи количество ПО определяется влажностью исходных продуктов.

Другим видом опасных отходов газоочистки является зола с фильтров МСЗ № 2. Состав золы МСЗ № 2 и содержание микроэлементов исследовались на ОАО "ВТИ" и РосНИИЦ ЧСМЗ РФ. Результаты исследований приведены в табл. 3 и 4 соответственно.

Потери при прокаливании (П.п.п) золы включают не только выгорание органических остатков (углерода), но и удаление воды при дегидратации Са(ОН)₂ и алюмосиликатов, удаление С0₂ из карбоната кальция. Повышенное содержание в золе (по сравнению со шлаком) СаО, MgO, К₂ 0 и Na₂ 0 и пониженное Si0₂ увеличивает ее основность (однако она остается кислой) и гидрохимическую активность; в отдельных случаях зола может быть отнесена к активным материалам.

В процессе горения отходов соединения тяжелых металлов испаряются при температурах 850 — 1000С и с отходящими газами покидают печь вместе с частицами летучей золы. В экономайзерной части котлоагрегата температура отходящих газов понижается до 200 — 300°С, что приводит к оседанию большей части соединений тяжелых металлов на частицы летучей золы [1].

В настоящее время на большинстве мусоросжигательных заводов мира установлены сложные системы очистки отходящих газов, включающие от двух до пяти стадий (обеспыливание, абсорбция, адсорбция, денитрифи-кация, выделение диоксинов.

Степень опасности отходов мусоросжигания обусловлена как наличием соединений класса полихлорированных бифенилов, типа ПХДД и ПХДФ, так и подвижных форм тяжелых металлов (главным образом свинца, кадмия, цинка, меди и хрома), способных мигрировать в природные среды (почву, поверхностные и фунтовые воды) [3]. Исследования распределения металлов показали, что 78% кадмия, 43% свинца и 38 % цинка, поступивших с ТБО на сжигание, концентрируются на частицах золы [2]. Образующиеся в результате сжигания отходов летучая зола и шлак представляют собой сложные минеральные композиции, имеющие оксидную основу, содержание основных компонентов которых изменяется в широких пределах.

Результаты экспериментов по выщелачиванию металлов из зол МСЗ показали, что наибольшая миграционная активность элементов наблюдалась при контакте отходов с кислыми и слабокислыми выщелачивающими растворами [4]. В водную среду из золы в первую очередь мигрируют легко растворимые хлориды Naи К. В меньшей степени водной миграции подвержены Са и А1. Из токсичных металлов в водных вытяжках присутствуют Pb, Zn, Си, Сг. 0,2 мм (11%); 0,1 - 0,16 мм (17%); 0,063 - ОД мм (1.8%); 0,05 — 0,063 мм (7%); <0,05мм (27%). Преобладают частицы размером 0,02 — 0,04 мм [5].

Абразивность летучей золы зависит от внешних форм ее частиц, а также их прочности. Внешняя форма и прочность частиц зависят от минералогического и химического состава золы, а минералогический состав определяется содержанием Si0₂ и АЮ₃ .

Объектами настоящего исследования являются зольные остатки систем газоочистки МСЗ N° 2 и содержащаяся в шлаке колосниковая зола. Зольными остатками систем газоочистки являются смесь летучей золы с известью и активированным углем. Колосниковой (или донной) золой является фракция в шлаке с размером частиц менее 0,25 мм. Отбор проб летучей золы МСЗ № 2 в данной работе осуществляли из бункера-накопителя. Было отобрано пять проб летучей золы. Пробы были многоточечными (20 точек) и случайными как по времени дня, так и по месту сосредоточения отхода.

Поступившие в лабораторию 12 смешанных проб (каждая массой около 6 кг) рассыпали слоем толщиной около 1 — 2 см на листах фильтровальной бумаги и сушили до воздушно-сухого состояния в течение 2 сут. После высушивания проводили операцию квартования. Слой пробы делили на квадраты площадью 8—10 см^г и отбирали через 1 в шахматном порядке. Половину пробы отбрасывали. Оставшуюся часть вновь рассыпали слоем около I см, делили на квадраты площадью 6 — 8 см² , затем отбирали через 1 в шахматном порядке, половину отбрасывали. Эту операцию повторяли до тех пор, пока масса оставшейся золы в каждой пробе не составляла около 500 г. После чего пробу помещали во вращающийся барабан для перемешивания в течение 20 мин. Перемешанную пробу хранили в пластиковых или стеклянных емкостях с плотно закрытой крышкой.

До настоящего времени нет утвержденных методик определения химического состава отходов, в частности зол мусоросжигания. В данной работе при определении токсичных элементов, входящих в состав отхода, а также мигрирующих в окружающую природную среду, были выбраны методики анализа качества почв и санитарно-химической оценки стройматериалов с добавлением промотходов РД 52.18.286-91.

Как видно из табл. 1, вытяжки 1 М HNО₃ и кислотное разложение не обеспечивают наиболее "жестких" условий извлечения и класс опасности золы МСЗ №2, определенный по этим вытяжкам, оказался четвертым. Однако кислотное разложение дает суммарный показатель степени опасности компонентов к, = 93,39 ± 10, который находится на грани критического значения — 100. При кислотном автоклавном вскрытии извлечение ТМ повышается, что обусловливает увеличение к, до 107,2 ± 11 и отнесение отхода к третьему классу. Заметим, что в том случае, когда результат приближается к критическому значению, может появиться желание использовать верхнюю или нижнюю границы оценки класса, но нужно иметь в виду, что это не всегда правомочно. Элементы, определяющие класс опасности юлы МСЗ № 2. располагаются но значимости к следующем порядке:

• полная вытяжка Pb> Zn> Сг;

• вытяжка ЛЛЬ - Pb> Zn> Cd> Мп > Сг;

• вытяжка IМ HNO. — РЬ> Zn>Cd> Cu^Mn:

•. кислотное разложение Pb> Zn> Cd> Си Сг > Ni.

Согласно результатам исследований РЬ и Znопределяют степень опасности золы (84 92 с) по неорганической компоненте.

Содержание в летучей золе растворимых в воде веществ в 20

— 30 раз выше их концентрации в шлаке.

Как следует из результатов исследований авторов, в состав летучей золы входит до 20 < сульфатов, а также большое количество растворимых в воле примесей, таких, как соли свинца, цинка, ртути, особенно кадмия, хлоридов и фторидов. Высокая концентрация в летучей юле растворимых в воде примесей делают ее непригодной для использовании в сельском хозяйстве, а в ряде случаев и в качестве строительного материала. В общем случае летучая зола обладает большей, по сравнению со шлаком МСЗ и юлой уноса энергетического топлива, когезионностью и может быть отнесена к среднеслипающимся пылевидным порошкам.

Содержание опасных для человека диоксинов (к ним относятся первые элементы двумерною гомологического ряда — ПХДД и ПХДФ) в летучей юле может достигать 10 — 20 м кг/кг, в то время как предельно допустимая концентрация диоксинов в России в почве, используемой в сельском хозяйстве, не должна превышать 0,133 нг/кг.-

Учитывая вышеизложенное, можно считать, что содержание ПХДЦ/ПХДФ в образцах почвы, отобранных в районе МСЗ Na2, является вполне допустимым для жилой зоны города. Шлак по отношению к диоксинам практически безопасен, в то время как зольные отходы содержат ПХДД и ПХДФ в концентрациях, в сотни раз превышающих допустимые. Именно эти данные свидетельствуют об особой токсичности золы с фильтров МСЗ.

Таким образом, для обезвреживания и/или утилизации шлака могут быть использованы существующие технологии обращения с силикатным сырьем для получения промышленных полупродуктов или изделий промышленного назначения, а для утилизации зольных отходов с фильтров МСЗ необходимы технологии, обеспечивающие гарантированную деструкцию молекул диоксинов, создание долговременных условий для предотвращения их рекомбинации и защиту окружающей среды от высокодисперсной силикатной пыли.

Глава 3. Технология "холодной" переработки токсичных зол и шлаков мусоросжигательных заводов

Развитие мусоросжигания во всем мире, позволяющее при сжигании твердых бытовых отходов (ТБО) получить электроэнергию и тепло сдерживается отсутствием технологий переработки опасных токсичных отходов в виде зол, образующихся при сжигании мусора и содержащих значительные концентрации диоксинов, при этом масса зол вместе со шлаками составляет 20-25% массы перерабатываемых ТБО. В настоящее время эти токсичные отходы захораниваются на специальных полигонах и существенно ухудшают экологическую среду.

Предлагается технология переработки токсичных зол и шлаков мусоросжигательных заводов, реализующая идею полной утилизации твердых бытовых отходов, исключение складирования, перевозки и захоронения токсичных веществ, предотвращение загрязнения окружающей среды, производство на базе обезвреженных отходов строительных материалов и изделий.

Преимущества технологии:

· переработка токсичных отходов в безопасные и дешевые материалы и изделия для дорожного строительства и благоустройства (табл. 1,2);

· исключение перевозки и захоронения токсичных зол и шлаков, освобождение земельных участков, оздоровление среды обитания;

· обеспечение безотходной работы мусоросжигательных заводов;

· "холодный" энергосберегающий способ переработки токсичных отходов;

· экономия средств, расходуемых на утилизацию отходов (транспортировка, захоронение на полигонах).

Краткое описание

Разработанная технология переработки токсичных зол мусоросжигательных заводов предусматривает нейтрализацию и связывание вредных токсичных веществ, омоноличивание дисперсных отходов в гранулят в виде искусственного гравия, пригодного как искусственный грунт, крупный заполнитель и щебень для производства бетонов для дорожного строительства и благоустройства.

Технология строится по модульной схеме, что позволяет гибко приспосабливаться к различным объему и токсичности перерабатываемых отходов, изменению их состава и различной комплектацией оборудованием.

Переработка токсичных зол состоит из следующих стадий:

a. нейтрализации токсичных отходов;

b. омоноличивание зол и получение агломерата;

c. капсулирование агломерата и получение искусственного крупного заполнителя;

d. применение искусственного заполнителя (щебня) в изделиях из бетона для благоустройства и дорожного строительства.

Комплектация производства осуществляется на базе отечественного промышленного оборудования и части разработанного не стандартного оборудования.

Мощность предприятий по переработке токсичных зол и шлаков от 25 до 100 тыс./тонн в год.

Мусоросжигательные заводы

В 80-х гг. XX в. в России появились первые заводы термической обработки мусора, или, как их еще называют, мусоросжигательные заводы (рис. 50).

Рис. 50. Схема мусоросжигательного завода:

1 – мостовой кран с ковшом; 2 – парогенератор; 3 – электрофильтр; 4 – дымовая труба; 5 – сепаратор; 6 – склад шлака; 7 – механизм шлакоудаления; 8 – подпорный валик колосниковой решетки; 9 – обратно переталкивающая колосниковая решетка; 10 – приемный бункер; 11 – бункер котлоагрегата.

Сжигание представляет собой наиболее распространенный способ термического обезвреживания бытовых отходов. Сжигание осуществляется в печах и топках различных конструкций.

Промышленные печи – это технологические или энерготехнологические агрегаты, в которых тепло сожженного твердого, жидкого или газообразного топлива или нагрев, производимый электрическим током, используются для технологических либо отопительных целей. В основном мусоросжигательные заводы, оборудованные парогенераторами, включают:

– приемное отделение (предназначено для бытовых отходов). Включает мостовой кран и ковш;

– мусоросжигательный агрегат с топочным устройством;

– тягодутьевое устройство. Включает вентиляторы, дымосос, дымовую трубу;

– газоочистное устройство;

– парогенератор;

– сепаратор. Весь процесс сжигания бытовых отходов можно разделить на 3 основных периода: – подготовка топлива (бытовых отходов) к горению. Во время подготовки отходы прогреваются, из них удаляется влага и выделяются летучие вещества, образовавшиеся в результате нагрева отходов;

– непосредственное горение;

– сжигание горючих остатков. Наибольшая эффективность горения достигается при комбинировании 2 методов:

– слоевого (основного) (рис. 2);

– камерного (дожигание продуктов термического разложения).

Рис. 2. Схема слоевого процесса сгорания бытовых отходов:

1 – летучие компоненты; 2, 8 – первичный воздух; 3 – провал и шлак; 4 – камера догорания; 5 – вторичный воздух; 6 – бытовые отходы; 7 – топочная камера; 9 – шлак.

Метод слоевого сжигания используется для высоковлажных многокомпонентных бытовых отходов. Этот метод имеет целый ряд преимуществ: – стабильность процесса горения бытового мусора можно поддерживать в определенном диапазоне; – сжигание высоковлажных бытовых отходов не требует их предварительной просушки; – сжигать бытовые отходы можно без предварительной подготовки, то есть нет необходимости в отборе и измельчении. Главным недостатком мусоросжигательных заводов является небольшой отрезок времени, который отводится для сжигания бытовых отходов. Вследствие этого дымовые газы наполняются продуктами неполного сгорания бытовых отходов, а в шлаке накапливается большое количество недогоревших горючих компонентов. Несмотря на существующие проблемы, мусоросжигательные заводы действуют сегодня в 20 странах мира, включая и Россию. Доля России в переработке отходов на мусоросжигательных заводах по сравнению с ведущими странами невелика и составляет всего около 2 %. А ведь бытовые отходы являются надежным источником топлива, который способен обеспечить существенную экономию топлива другого вида в каждом городе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Матросов А.С. Управление отходами. М.: Гардарики, 1999.

2. International directory of solid waste management. The 1SWA vcarhook. 1996/97.

3. Некоторые вопроси токсичности ионов метлой / Пол ред. X. Чинит, Л. Чинит. М.: Мир. 1993.

4. Kciniann D.O. Heavy metals teachability from solid waste incineration residues // Waste management and research. 19X9. № 7.

5. Albino el al. Stabilization. Solidification of Hazardous Waste before Landfill Disposal // Journal of Environmental Science and Health.