Одной из острейших экологических проблем в Украине является утилизация городского мусора. Города растут, количество отходов увеличивается, с каждым годом ухудшается экологическая обстановка, а отношение к мусорной проблематике практически не меняется. Исторически сложилось, что в нашей стране, как и многих других странах на пост советском пространстве, раньше не уделялось должное внимание проблеме бытовых отходов. В Украине разработкой технологий утилизации мусора никогда не занимались и сейчас практически не занимаются. Поэтому сегодня мы не владеем ни одной своей технологией утилизации мусора. А мусора скопилось предостаточно.

К твердым бытовым отходам (ТБО) относятся отходы, образующиеся в жилых и общественных зданиях, торговых, зрелищных, спортивных и других предприятиях (включая отходы от текущего ремонта квартир), отходы от отопительных устройств местного отопления, смет, опавшие листья, собираемые с дворовых территорий, и крупногабаритные отходы.

Согласно руководящего технического материала Госкомитета по жилищно-коммунальному хозяйству Украины «Рекомендовані норми накопичення твердого побутового сміття для населених пунктів України” от 1995 г., к твердым бытовым отходам относятся следующие виды мусора: от жилых домов, гостиниц, общежитий, от профилактических ремонтов, которые выполняются жителями домов, от печного отопления, мусор с улиц, дворов, от зданий общественного питания, с рынков, с вокзалов, пляжей, парков, мусор большой габаритности (остатки старой мебели, холодильники, радиоприемники, телевизоры, новогодние елки и т.д.)

На сегодняшний день в Донецком регионе накоплено около 4 млрд. тонн промышленных 400 млн. куб. м. бытовых отходов. Ежегодно эти объемы увеличиваются почти на 50 млн. т. и 6 млн. куб. м. соответственно. В среднем на душу населения приходится 800 т. накопленных промышленных отходов,что почти в 2 раза превышает общеукраинский показатель. Площадь, которую занимаюи отходы в отвалах и накопителях, составляет 6,2 тыс. га или более 2% общей территории области. Ежедневно один дончанин производит около 0,9 кг твердых бытовых отходов (ТБО), что в масштабах жизнедеятельности всего города за год составляет 1,4 млн. куб. м.

Нормативное накопление твердых бытовых отходов в г. Донецке составляет 360 000 т/год (1 000 т/год).

Для того, чтобы управлять ТБО, необходимо знать их состав. Состав таких отходов определяет возможности их утилизации и способы захоронения. Так, при организации производства биогаза на полигонах важное значение имеет содержание в отходах органических веществ. Для сжигания ТБО важна их теплотворная способность, однако следует учитывать, что при этом некоторые отходы приводят к образованию токсичного дыма. Для того, чтобы развивать мусороперерабатывающую отрасль, прежде всего, необходимо знать, какое количество отходов может быть переработано, и как может меняться это количество.

Морфологический состав ТБО в значительной степени зависит от климатических условий, времени года, времени, прошедшего с момента их образования, степени благоустройства жилья, наличия системы раздельного сбора ТБО, в т.ч. пищевых отходов, уровня благосостояния жителей и др.

Организация сбора и удаления бытовых отходов осуществляется в соответствии с Законом Украины «Об отходах».

В городе функционирует унитарная система сбора ТБО (сбор всех видов отходов в одну общую емкость и удаление к местам обезвреживания). В сложившейся ситуации такой подход к сбору и удалению этих отходов из городской зоны является наименее затратным.

Система сбора принята вывозная. Метод сбора и удаления при этой системе планово-подворный. При этом методе жители выгружают отходы из индивидуальных квартирных сборников в контейнеры на жилой территории для временного хранения до удаления их на места обезвреживания. Технологическая схема и оборудование, применяемое при планово-подворном методе, определяется количеством обслуживаемого населения, плотностью и этажностью застройки, наличием в зданиях мусоропроводов, способом погрузки и вывоза отходов.

Используются следующие технологические схемы сбора и удаления ТБО:

1. сбор отходов в квартирные сборники, их временное хранение в несменяемых переносных сборниках малой вместимости, ручная или механизированная перегрузка в собирающий мусоровоз с уплотняющим устройством;

2. удаление отходов по мусоропроводам или вынос квартирных сборников, перегрузка отходов в несменяемые контейнеры, механизированное опорожнение контейнеров в мусоровоз, уплотнение отходов в мусоровозе и их транспортирование;

3. перегрузка отходов из квартирных сборников в съемные кузова-контейнеры (МСК объемом 10м3, 17 м3), временное хранение этих отходов в кузовах-контейнерах без уплотнения, погрузка на платформы контейнерных машин, транспортирование кузовов-контейнеров.

При существующей системе сбора все собранные специализированными предприятиями отходы (как от жилого сектора, так и от предприятий и организаций) удаляются на полигоны ТБО.

Деятельность специализированных предприятий по сбору и вывозу ТБО финансируются в основном за счет оплаты договоров, которые данные субъекты хозяйствования заключают с ЖЭКами, ЖСК, обществами совладельцев (для жителей многокватрирных жилых домов) и владельцами частных домостроений, а также с предприятиями, учреждениями и организациями. Указанные специализированные предприятия сами занимаются взысканием сумм, подлежащих оплате за оказанные услуги.

Существующая система сбора отходов не отвечает современным требованиям, остается низким уровень механизации объектов коммунального хозяйства вследствие значительного физического и морального износа основных фондов, недостаточности специализированных транспортных средств, машин и механизмов для санитарной очистки и уборки территорий и т.п. Усугубляет ситуацию недостаток средств, необходимых на развитие этой сферы, отсутствие санкционированных мест складирования, системы сбора и сортировки ТБО и другие факторы.

Отсутствие в городе мусоросжигающих и мусороперерабатывающих заводов приводит к тому, что практически все образующиеся ТБО удаляются для захоронения на свалки. Из-за отсутствия специализированных полигонов для опасных промышленных отходов и слабого контроля приемки на свалки ТБО нередко попадают опасные отходы, в частности, от предприятий, заключивших договора на удаление ТБО. Ввиду роста негативного влияния свалок ТБО на окружающую среду эти объекты требуют постоянного контроля и мониторинга. В настоящее время в г. Донецке для удаления ТБО используются 3 свалки ТБО: Петровская, Чулковская и Ларинская

Свалка "Петровская" - расположена в пределах городской черты, занимает площадку выработанного песчаного карьера глубиной от 8 до 12 м. Эксплуатируется с 1972 г, за время эксплуатации размещено 6,8 млн. м? отходов. Владельцем свалки является КАТП «Саночистка Петровского района г. Донецка», которым в 2003 г. получен Государственный акт на право постоянного пользования землей площадью 3,5 га. Выполнена оценка воздействия полигона на окружающую природную среду. На свалку удаляются ТБО Петровского и Кировского районов. Ежемесячно на нее вывозится 24 тыс. куб. м ТБО, в том числе КАТП «Саночистка Петровского района г. Донецка» - 30 % общего объема вывезенных отходов, КП «Кировец» Кировского района - 50 %, ООО «Регион» Кировского района - 16 %, КП «Проминь» г. Марьинка - 2 %, прочие предприятия - 2 %. Штат полигона состоит из 6 человек. Эксплуатируемая часть свалки расположена в южной части Петровского района между двумя жилыми массивами. Территория ограничена с юга железнодорожной веткой к шахтным промплощадкам, с севера - основной автомагистралью района улицей им. Петровского, за ней к северу расположены породные отвалы бывшей шахты 11-бис «Петровская», в юго-восточной части - территорией ООО «Брикет». Расположение свалки не обеспечивает 300-метровую санитарную зону от жилой застройки, ее эксплуатация является очагом распространения инфекций, грызунов, зловония, заражения водоносных горизонтов вредными фильтратами и других отрицательных факторов. Не проведена паспортизация объекта как места удаления отходов. Эксплуатация свалки не обеспечена достаточным количеством техники, запасом инертных материалов для промежуточной засыпки отходов; отсутствует контроль за составом поступающих ТБО, не ведется мониторинг состояния окружающей среды. Свалка подлежит закрытию как несоответствующая экологическим, санитарным и градостроительным нормам.

Свалка "Чулковская" - расположена в юго-восточной части города, эксплуатируется с 1979 г. Площадка удалена от основных жилых массивов, граничит со свободными от застройки землями Донецкого горсовета. Площадь территории свалки – 3,2 га. Складирование отходов производится непосредственно в "корыто" бывшего песчаного карьера. Пользователь свалки – КП «Донэкосервис». Отсутствует Государственный акт на право пользования землей. Эксплуатация свалки не обеспечена достаточным количеством техники, запасом инертных материалов для промежуточной засыпки отходов; отсутствует контроль за составом поступающих ТБО, не ведется мониторинг состояния окружающей среды. Не проведена паспортизация объекта как места удаления отходов. Временная эксплуатация свалки возможна, так как отсутствуют другие места захоронения ТБО, соответствующие экологическим, санитарным и градостроительным нормам.

Свалка "Ларинская" – наиболее крупная, расположена в 800 м юго-западнее пгт. Ларино (Буденновский район) в отработанных известковых карьерах, окружена землями совхоза "Тепличный". Находится в удалении от южной границы города, в 30 км от бывшей станции перегрузки ТБО Куйбышевского района. Свалка введена в эксплуатацию в 1993 г., рассчитана на 15-летний срок эксплуатации. Размещаются ТБО Ворошиловского, Куйбышевского, Буденновского, Ленинского и Калининского районов. Пользователь свалки - ДКАТП 052801. Система эксплуатации свалки не отвечает нормативным требованиям. Отсутствует Государственный акт на право пользования землей, эксплуатация свалки не обеспечена достаточным количеством техники, запасом инертных материалов для промежуточной засыпки отходов, отсутствует контроль за составом поступающих ТБО, не ведется мониторинг состояния окружающей среды. Водопровод и электроснабжение в настоящее время не функционируют. На протяжении длительного времени в связи с отсутствием специальной техники и другими причинами мусор систематически самовозгорается, что приводит к горению свалки и вызывает недовольство местных жителей. Не проведена паспортизация объекта как места удаления отходов. Необходимо принять меры по приведению свалки в соответствие с нормативными и экологическими требованиями, в перспективе свалка подлежит закрытию и рекультивации.

Стихийные свалки. Как известно, безотходного способа существования не бывает. Однако, часть населения и юридических лиц (соответственно 71,6 % и 25,0 %) не заключили договора со специализированными предприятиями на сбор и вывоз ТБО, следовательно, удаляют мусор на стихийные свалки. Кроме того, из-за нерегулярного вывоза ТБО, особенно в частном секторе, население вынуждено самостоятельно избавляться от накопившегося мусора, вследствие чего также пополняются стихийные свалки.

Различают три основных метода термической переработки и утилизации ТБО: слоевое сжигание исходных (неподготовленных) отходов в мусоросжигательных котлоагрегатах; слоевое сжигание специально подготовленных отходов (освобожденных от балластных фракций) в энергетических котлах совместно с природным топливом или в цементных печах; пиролиз отходов, прошедших предварительную подготовку или без нее.

Первые два способа наиболее распространены и изучены. Однако при их использовании выделяется большое количество загрязняющих веществ:

- Газообразные (оксид и диоксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, фтористый и бромистый водород, соединения тяжелых металлов, продукты неполного сгорания, среди которых следует отметить полиароматические углеводороды, а также так называемые полихлор(бром)дибензодиоксины и полихлор(бром)дибензофураны, именуемые условно диоксинами;

- Летучая зола, канцерогенный компенент, обладающий свойствами катализатора (способствует синтезу диоксинов) и являющийся прекрасным сорбентом диоксинов, транспортируя их в атмосферу;

- Шлак (третий класс опасности);

- Сточные воды (2,5 м3/т переработанных ТБО).

Из перечисленных вредностей наиболее опасными (уже при концентрации 10-12г/м3) и бесспорными разрушителями живых организмов являются рукотворные токсичные диоксиноподобные вещества, а также полиароматические соединения типа бенз(а)пирена и оксиды тяжелых металлов. Образно говоря, мусоросжигающие установки пламенного сжигания превратились в «помойницы неба».

Для улавливания твердых и газообразных веществ мусоросжигательные заводы оборудуются устройствами, число ступеней свободы которых достигает четырех, а стоимость составляет почти 30% капитальных затрат на строительство такого завода.

Однако, как показал опыт использования столь высокоэффективного оборудования не устраняет экологической опасности открытого (пламенного) сжигания, прежде всего проблемы диоксинов. По этой причине ООН наложила мораторий на массовое сжигание ТБО описанным выше методом.

Кроме экологических недостатков прямого сжигания данному методу присущи и другие, а именно: cвойства летучей золы и кислых дымовых газов, которые не позволяют поднимать температуру пара выше 4000С, а давление выше 40 бар, т.к. при этом срок службы пароперегревателя, даже выполненного из нержавеющих сталей, не превышает пяти лет; невозможность изменения ТБО до такого состояния, чтобы можно было сжигать не в слоевых котлах на колосниковой решетке, а в котлах с камерными топками, когда топливо горит во взвешенном состоянии.

Все перечисленные недостатки ухудшают экономические показатели работы энергогенерирующих установок, использующих в качестве топлива ТБО, т.к.:

- Из-за пониженных значений показателей пара снижается эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую, что сказывается на коммерческой целесообразности использования ТБО в качестве топлива;/p>

- Из-за необходимости соблюдения жестких европейских экологических стандартов имеют место значительные затраты на приобретение и установку комплекта многоступенчатого газо- и пылеочистного оборудования, то время как на ТЭС очистка дымовых газов осуществляется с помощью относительно дешевых электрофильтров;

- Имеют место затраты на обезвреживание и утилизацию золошлаковых отходов.

В качестве альтернативы прямому сжиганию во многих странах разрабатываются технологии пиролиза ТБО – термического разложения их органической части без доступа кислорода и расплавления неорганических компонентов.

Применение технологии пиролиза имеет определенные приемущества по сравнению с мусоросжиганием:

1. Существенное снижение загрязнения воздушной и водных сред;

2. Практически полная утилизация потенциальных энергетических и материальных ресурсов ТБО;

3. Произведенный пиролизный газ, кроме теплового потенциала, имеет высокую химическую ценность.

Сегодня в мире существует большое разнообразие вариантов технологического оформления процесса пиролиза: низко-, средне- и высокотемпературного. Однако все они имеют экологические недостатки, из которых самим серьезным является нерешенность проблемы диоксинов, токсичных углеводородов и оксидов тяжелых металлов. Решение проблемы перенесено (как и при открытом сжигании) во внешние (за пределы реактора) аппараты газоочистки, которые лишь частично снижают содержание диоксинов (на пример с помощью фильтров).

Таким образом, можно констатировать, что экономическое решение проблемы обезвреживания ТБО в рамках действующих нормативных природоохранных требований к термообработке ТБО пока не найдено. Однако в то же время несмотря на перечисленные экономические особенности термообработки ТБО можно констатировать, что интерес к этому процессу, как средству ликвидации ТБО, не пропал. Он усиливается энергетической ценностью отходов, о чем свидетельствует решение Европарламента рассматривать их как возобновляемый источник энергии.

Анализ мирового опыта мусоросжигания, обобщенного за период почти четырех десятилетий, позволяет нам заключить, что направления устранения экологической опасности термообработки ТБО с помощью пыле- и газоочистного оборудования или путем подготовки ТБО к сжиганию неперспективны.

Решение проблемы должно начинаться на более высоком уровне, а именно с решения проблемы диоксиноподобных соединений, благодаря чему определяется не только экологическая чистота технологий обезвреживания ТБО, но и ее конкурентноспособность на мировом рынке. Технология термообработки ТБО долна быть измерена настолько, чтобы исключался синтез особо токсичных диоксиноподобныхъ веществ, а с помощью пыле- и газоочистного обрудования улавливались остаточные (менее вредные) загрязнители. Последнее возможно лишь корректировкой регламента и условий процесса термообработки ТБО на основе установления причин образования диоксинов.

По моему мнению искомое решение может быть найдено корректировкой регламента процесса высокотемпературного пиролиза.

Причина образования диоксинов в современных пиролизных установках заключается в том, что применяемые в настоящее время реакторы пиролиза работают по принципу доменного процесса (идеального с точки зрения теплообмена). Процесс сопровождается как окислением (сжиганием), восстановлением элементов.

В таких реакторах зона теплогенерации (фурмерная зона) находится внизу и формируется путем сжигания остатков неразложившейся органики (углеродистого остатка), которые опускаются снизу вверх. При этом горение поддерживается вдуванием воздуха (кислорода), образуются горячие продукты (их температура 1500-16000С) двух видов: газообразные (летучие) и жидкие (шлак). В интервале указанных температур диоксины разлагаются, но на выходе из реактора в холодной зоне (температура 250-7000С) создаются условия к новому синтезу диоксинов.

Кроме того, под действием оксида углерода (СО) восстанавливаются из оксидов некоторые тяжелые металлы, в частности легкоплавные (типа ртути, кадмия). Вместо того чтобы попасть в шлак, они «парят», становятся летучими, попадая в пиролизный газ. Образующийся пиролизный газ – это смесь газовых фаз всех продуктов, полученных последовательно на разных уровнях по высоте реактора. Он содержит вредные тяжелые углеводороды, полуразрушенные галогенорганические соединения (диоксины), пары восстановленных тяжелых легкоплавких металлов. Таким образом, проблема диоксинов и других токсичных загрязнителей не решена.

Она является нерешенной, даже если имеются выбросы диоксинов после газоочистных сооружений в пределах требуемых нормативов, ибо для диоксинов (из-за их особых свойств: устойчивости и способности к накоплению, наподобие радиоактивных веществ) критерий ПДК совершенно неприемлим, т.е. нет столь малой дозы диоксинов, котоая была бы безопасной.

Нами на основании выполненных исследований определены основные принципы экологически безопасного процесса высокотемпературного пиролиза. Их соблюдение обеспечивает максимальное предотвращение появления в пиролизном газе опасных (токсичных) вредных веществ при обязательной очистке этих газов от менее вредных (нетоксичных) газообразных и пылевых компонентов с помощью обычных и дешевых газоочистных устройств. К ним относятся:

1. Использование повышенных температур в интервале, обоснованном экологически и технологически. Для стабильного плавления шлаковых составляющих отходов целесообразно поддерживать температуру в диапазоне 1600-1700С. Такой уровень температуры обеспечит не только устойчивое плавление минеральных компонентов ТБО, но гарантированное разложение всех органических токсинов, в том числе и диоксиновой решетки.

2. Создание в реакторе восстановительной атмосферы избытком углерода, содержащегося во многих компанентах неразделенных ТБО. Восстановительная атмосфера реактора исключает возможность нового синтеза диоксинов.

3. Фильтрование пиролизного газа перед выпуском из реактора через слой раскаленного углерода.

4. «Закаливание» пиролизного газа на выпуске из реактора, под которым понимается его резкое охлаждение до температуры ниже 2000С, при которой исчезают условия соединения галогенов (хлора, брома) с кислородом, т.е. образования диоксиноподобных веществ.

На основании рассмотренных теоретических предпосылок предложена следующая принципиальная схема работы реактора для обеспечения высокотемпературного пиролиза.

В верхней части реактора формируется зона сушки загружаемых отходов (температура 1000С). термическая деструкция органической части ТБО происходит в зоне пиролиза без доступа воздуха и начинается при температуре 2000С за счет теплоты, поступающей из зоны теплогенерации. Во время деструкции происходит выделение органических летучих веществ (газ) и тяжелых углеводородов (жидкости). Они движутся в реакторе (в прямотоке с твердым материалом, т.е. сверху вниз), проходя последовательно в течение расчетного времени участки с монотонно повышающейся температурой, постепенно нагреваясь до 1500-17500С, и подвергаются вторичному пиролизу на все более простые составляющие. Процесс полного разложения органики на молекулярные составляющие, в основном, заканчивается при температуре около 12000С с получением водорода, кислорода, азота, хлора, серы и твердого углеродистого остатка.

Полученные молекулы на данном тепловом уровне, в соответствии с законами термодинамики, начинают образовывать новые соединения. В частности, наиболее активный восстановитель – водород соединяется с высвобожденным кислородом отходов по реакции

H2 + 0.5O2 = H2O + 250 кДж/моль

Следует отметить, что в основном, соотношение содержащихся в отзодах H2 и O2, как правило, близко с стехиометрическому по реакции. При температуре более 12000С начинается активное взаимодействие (газификация) твердого углеродистого остатка с кислородом отходов и парами влаги с получением Н2 и СО2

С + 0,5О2 = СО +123 кДж/моль

СО + 0,5О2 = СО2 + 284 кДж/моль

С + Н2О = СО + Н2 – 118,7 кДж/моль

С +СО2 = 2СО – 161,5 кДж/моль

С + О = СО + 407 кДж/моль

СО + Н2О = СО2 + Н2 + 43,6 кДж/моль

2 Н2О = Н2 +О2 – 485 кДж/моль

Видно, что в реакторе происходит активная нейтрализация влаги в качестве активного агента газификации углерода. Благодаря этому повышается энергетическая ценность пиролизного газа. Наличие в системе комплекса эндо- и экзотермических реакций указывает на то, что при определенных условиях процесс может протекать автогенно, т.е. за счет высвобождения внутренней энергии ТБО.

Наконец, как показано выше, молекулярный хлор реагирует с водородом, образуя пары HCl, а сера с кислородом образует SO2.

Получение экологически чистого, практически без балластных примесей газа, а также безвредного шлака отвечает критериям безотходного производства.

Таким образом, использования на практике изложенные принципы возможно сделать работу пиролизного реактора направленной на переработку неразделенного потока ТБО произвольного химического состава. Это представляется важным, т.к. опыт эксплуатации сортировочных линий показывает, что степень извлечения определенных (конкретных) компонентов из потока ТБО весьма невелика, что сохраняет прежнюю (до сортировки) многокомпонентность отходов. Кроме того, приведенная схема "решает проблему диоксинов", что немаловажно в современных условиях. Экономически такое мероприятие представляется выгодным.

1. Гонопольский А.М. и др. Твердые бытовые отходы как энергетическое топливо. Инженерная защита окружающей среды. – М.: МГУИЭ, 2002 – 244с.

2. Гречко А.В. О месте твердых бытовых отходов в ряду естественных твердых топлив/Промышленная энергетика.–1994. - №1.