В Донецкой области в связи с большой техногенной нагрузкой, уровень загрязнения окружающей среды чрезвычайно высок. Отходы потребления являются одними из наиболее весомых факторов загрязнения окружающей природной среды и негативного влияния на все ее компоненты. Инфильтрация от захороненных отходов на полигонах, пылеобразование в процессе их размещения, ветровая и водная эрозии, другие факторы миграции загрязняющих веществ приводят к загрязнению атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, земельных ресурсов. Кроме этого на территории области насчитывают около несанкционированных свалок, что говорит о несовершенстве системы сбора бытовых отходов.
Проблема твердых бытовых отходов является актуальной не только на территории Донецкой области и Украины в целом, но и во всем мире. Трудноразрешима эта проблема прежде всего из-за огромного и все нарастающего количества отходов.
Целью исследовательской работы является разработка концепции обращения с твердыми бытовыми отходами в Донецком и ндустриальном мегаполисе, в частности разработка Программы обращения с малотоннажными промышленными отходами, а именно ртутьсодержащими люминесцентными лампами, попадающими в состав ТБО.
Задачи исследовательской работы:
Изучение и характеристика состава отходов связаны со значительными сложностями из-за большого количества компонентов, изменений их долей от климатических условий, времени года и со временем, отсутствием разработанных стандартных методик анализа.
Как правило, легко может быть проведен морфологический и фракционный анализ, определение гранулометрического состава, для каждой фракции – обобщенные и групповые показатели (общий углерод, влажность, теплотворная способность и т.д.).
Морфологический состав ТБО значительно зависит от климатических условий, сезона года, степени благоустройства жилья, наличия системы раздельного сбора ТБО, в т.ч. пищевых отходов и др., и меняется в первую очередь за счет изменения тары и упаковки используемых товаров [1].
Морфологический состав твердых бытовых отходов в странах-участниках ЕС приведен в табл. 1.1 [1].
Таблица 1.1 – Состав отходов в странах-участниках ЕС, %
| Страна | Бумага | Текстиль | Пластмасса | Стекло | Металлы | Биоразл. отходы | Другие |
| Австрия | 25..26 | 2..3 | 13..14 | 11..12 | 6..7 | 28..30 | 9..10 |
| Дания | 19..20 | - | 4..5 | 3..4 | 1..2 | 35..37 | 34..35 |
| Финляндия | 25..26 | - | - | 5..6 | 2..3 | 31..33 | 35..36 |
| Франция | 24..26 | 2..4 | 10..12 | 12..14 | 3..5 | 28..30 | 14..16 |
| Греция | 19..21 | 4..5 | 8..9 | 4..5 | 4..6 | 48..50 | 8..9 |
| Италия | 21..23 | - | 6..8 | 5..7 | 2..4 | 42..44 | 18..20 |
| Люксембург | 19..20 | 2..3 | 7..8 | 6..7 | 2..3 | 43..45 | 17..18 |
| Португалия | 22..24 | - | 11..13 | 4..6 | 3..5 | 34..36 | 22..24 |
| Нидерланды | 25..26 | 3..4 | 5..6 | 6..7 | 3..4 | 37..39 | 17..18 |
| Испания | 21..22 | 4..5 | 10..11 | 6..7 | 4..5 | 43..45 | 8..9 |
| Швеция | 36..37 | 1..2 | 5..6 | 6..7 | 1..2 | 24..26 | 5..6 |
| Великобритания | 36..38 | 1..3 | 9..11 | 8..10 | 6..8 | 18..20 | 15..17 |
Морфологический состав твердых бытовых отходов США и России приведены в таблице 1.2 [2].
Таблица 1.2 – Морфологический состав ТБО в России и США, % массы
| Отходы | США | Россия |
| Бумага, картон | 40 | 20…36 |
| Пищевые отходы | 7,4 | 20…38 |
| Стекло | 7,0 | 5…7 |
| Металл | 8,5 | 2…3 |
| Пластик | 8,0 | 3…5 |
| Текстиль | 2,1 | 3…6 |
| Резина и кожа | 2,5 | 1,5…2,5 |
| Дерево, листья | 3,6 | 1…4 |
| Другие материалы | 20,9 | 10…35,5 |
Морфологический состав ТБО в Украине приведен в таблице 1.3 [1].
Таблица 1.3 – Морфологический состав ТБО, образующихся в разных климатических зонах, % массы
| Компонент | Средняя климатическая зона | Южная климатическая зона | Северная климатическая зона |
| Пищевые отходы | 35…45 | 40…49 | 32…39 |
| Бумага, картон | 32…35 | 22…30 | 26…35 |
| Дерево | 1…2 | 1…2 | 2…5 |
| Черный металлолом | 3…4 | 2…3 | 3…4 |
| Цветной металлолом | 0,5…1,5 | 0,5…1,5 | 0,5…1,5 |
| Текстиль | 3…5 | 3…5 | 4…6 |
| Кости | 1…2 | 1…2 | 1…2 |
| Стекло | 2…3 | 2…3 | 4…6 |
| Камни, штукатурка | 0,5…1 | 1 | 1…3 |
| Кожа, резина | 0,5…1 | 1 | 2…3 |
| Пластмасса | 3…4 | 3…6 | 3…4 |
| Прочее | 6…9 | 9…12 | 5…8 |
Что касается фракционного состава ТБО, то в городах Украины основная масса отходов (60 – 70%) имеет фракции размером до 100 мм. Содержание частиц размером свыше 250 мм не превышает (4 – 5) % (без учета крупногабаритных отходов). Фракционный состав оказывает влияние на технологию и организацию сбора ТБО, а также имеет важное значение в случае использования ТБО на мусороперерабатывающих заводах.
Усредненные результаты по составу твердых бытовых отходов в Донецкой области четырех сезонных исследований всех 8 социотипов представлены в таблице 1.4 [1].
Таблица 2.1 – Усредненный морфологический состав ТБО в Донецкой области
| Отходы | % |
| Пищевые отходы | 39,5 |
| Бумага | 5,9 |
| Металл | 2,5 |
| Полимерная упаковка | 7,9 |
| Многослойная упаковка | 0,4 |
| Дерево | 1,1 |
| Текстиль | 2,9 |
| Стекло | 7,4 |
| Кожа, резина | 1,4 |
| Камни | 1,1 |
| Кости | 0,1 |
| Отсев | 25,3 |
| Опасные отходы | 0,6 |
| Строительный мусор | 3,9 |
Анализ данных Проекта Тасис «Совершенствование системы управления твердыми бытовыми отходами в Донецкой области Украины» показывает, что в составе твердых бытовых отходов основная доля приходится на пищевые отходы и отсев, куда в том числе входит и зола от печного отопления. Значительные доли бумаги, пластмассы, стекла. Влажность пищевых отходов колеблется от (60 – 70) % весной до (80 – 85) % летом и осенью. Городские отходы на (30 – 35) % состоят из горючих материалов и на (20 – 40) % – из негорючего балласта: металла, стекла, керамики. Балластные примеси пищевых отходов представлены костями, боем стекла и фаянса, металлическими крышками, банками. Постоянно усложняется состав твердых бытовых отходов, включая в себя все больше экологически опасных компонентов. Это – отработанные химические источники тока (ОХИТ), тара от средств бытовой химии, остатки пестицидов, красок, люминесцентные лампы и прочее. С ними в состав ТБО приносится:
Методы обезвреживания и утилизации твердых бытовых отходов делятся по конечной цели на ликвидационные и утилизационные, а по технологическому принципу – на биологические, термические, химические, механические, смешанные.
Наибольшее распространение в Украине получили следующие технологии обезвреживания и переработки ТБО: складирование на полигонах или свалках (ликвидационный механический способ), сжигание (ликвидацион¬ный термический способ), компостирование (утилизационный биологический способ).
Общая картина соотношения различных методов переработки ТБО для некоторых стран мира представлена в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Соотношение долей различных методов переработки ТБО в различных странах мира
| Государство | Полигонное депонирование, % | Биологическая переработка, % | Термическая переработка, % |
| Германия | 69 | 2 | 29 |
| Швеция | 34 | 9,9 | 56,1 |
| Япония | 24,5 | 1,5 | 74 |
| Франция | 47 | 8 | 45 |
| Чехия | 85 | 5 | 10 |
| Украина | 98 | - | 2 |
При проектировании полигонов для складирования ТБО основой являются интересы охраны окружающей среды (атмосферный воздух, почва, поверхностные и грунтовые воды).
На полигонах в целях охраны атмосферного воздуха уплотненный слой ТБО изолируют, засыпая грунтом (строительными или инертными промышленными отходами) толщиной (15 – 25) см. Верхний изолирующий слой не допускает возникновение пожаров.
Площадки для разгрузки мусоровозов огораживают сеткой высотой (3 – 4) м, чтобы легкие фракции ТБО (пленка, бумага) не попадали на участки земель, прилегающих к полигонам. Наружная изоляция ТБО и уплотнение их делают ТБО не привлекательными для мух их грызунов.
Ливневые и талые воды с вышерасположенных массивов земель перехватываются нагорным каналом и отводятся за пределы полигона. Предусматривают также специальные инженерные решения по увеличению сцепления складируемого материала с естественным основанием.
Инфильтрация – ведущий фактор, влияющий на интенсивность протекания физико-биологических процессов в толще свалки и определяющий количество образующегося фильтрата и биогаза. Фильтрат и биогаз образуются в анаэробной зоне свалки, мощность которой может составлять 10 м и более за счет протекания процессов деполимеризации, сбраживания, гумификации органического вещества, сульфатредукции и других процессов. В итоге получается уникальный по своей токсичности раствор с минерализацией до нескольких грамм на 1 л, содержанием ионов аммония и хлора, других макрокомпонентов до нескольких грамм на 1 л, высокими концентрациями тяжелых металлов (цинк, свинец, никель, хром, кадмий и др.).
Биогаз образуется в результате жизнедеятельности метанобразующих бактерий и сопровождается выделением теплоты, поддерживающей в толще отходов сравнительно невысокую (30 – 40) 0С температуру. В результате внутреннего разогрева отходов увеличивается проницаемость подстилающих свалку глинистых пород.
В результате захоронения ТБО на свалках безвозвратно теряется огромная масса ценных веществ и компонентов, содержащихся в них, в том числе солей азота, фосфора, калия и кальция, являющихся основой органических и минеральных удобрений.
Использование термического метода сопряжено с рядом экологических и экономических проблем.
Экологические проблемы связаны с образованием при термической переработке отходов ряда токсических соединений, прежде всего диоксинов, а также значительного количества твердых вторичных отходов (25 % по массе).
Экономические проблемы связаны с необходимостью установки дорогостоящего оборудования для обезвреживания выбросов в атмосферу, затратами на дальнейшее обезвреживание шлаков.
Разработаны разнообразные установки для сжигания отходов. Типичная технологическая схема мусоросжигательного завода представлена на рис. 2.1.
1 – приемный бункер; 2 – грейферный захват; 3 – загрузочный бункер;
4 – колосниковая решетка; 5 – воздуходувка; 6 – печь;
7 – форсунки; 8 – котел-утилизатор; 9 – транспортер; 10 – электрофильтр; 11 – дымосос; 12 – труба
Рисунок 2.1 – Схема мусоросжигания
Отходы из приемного бункера 1 грейферным захватом 2 подаются в загрузочный бункер 3. Сжигание в печи 6 происходит на подвижной колосниковой решетке 4. Необходимый для горения отходов воздух подается воздуходувкой 5 под решетку. Конструкция печи предусматривает сжигание как твердых, так и жидких отходов. Для этого в печи имеются форсунки 7 для впрыскивания жидких отходов. Котел 8 позволяет утилизировать тепло, выделяемое при горении отходов, и получать перегретый пар. Дымовые газы проходят очистку от золы-уноса в электрофильтре 10, а затем дымососом 11 выбрасываются через трубу 12, высота которой рассчитывается с учетом снижения предельных концентраций выбрасываемых веществ ниже норм ПДК. Шлак, образующийся при горении отходов, после охлаждения водой удаляется транспортером 9 на склад.
Под пиролизом понимают процесс термического разложения отходов без доступа кислорода, в результате которого образуются пиролизный газ и твердый углеродистый остаток. Количество и состав продуктов пиролиза зависит от состава отходов и температуры разложения.
Пиролизные установки в зависимости от температурного режима процесса разделяют:
Основными компонентами пиролизного газа являются водород, оксид углерода, метан. Теплота сгорания этой смеси в зависимости от состава отходов и организации процесса составляет (6680 – 10450) кДж/м3 . Часть энергии получаемого газа используется для подогрева воздуха, подаваемого в зону сгорания реактора. Остальная энергия передается потребителю в виде газообразного топлива или в виде теплоносителей.
Пиролизный газ имеет преимущество перед природным, так как не содержит соединений серы и азота. Однако в связи с низкой теплотой сгорания, трудностями аккумуляции и хранения пиролизного газа его невозможно собирать и транспортировать на значительное расстояние, вследствие чего потребитель газа должен находиться не далее 3 км от пиролизной установки.
Кокс, получаемый при пиролизе отходов, можно использовать в различных целях в зависимости от его состава и физических свойств. При пиролизе твердых отходов нефтеперерабатывающих производств кокс с зольностью до 50 % после небольшой дополнительной обработки может быть применен в качестве заменителя природных и синтетических углеродсодержащих материалов. Коксовый остаток, образующийся при пиролизе осадков сточных вод, можно использовать в качестве сорбента на станциях водоподготовки и очистки сточных вод. При пиролизе изношенных автомобильных покрышек получают газовую сажу, используемую в производстве резиновых технических изделий, пластмасс, типографских красок, пигментов. Возможны и другие направления использования твердого углеродистого остатка.
Теоретически аэробные биохимические реакции, протекающие при компостировании, можно представить в следующем виде:
Переработанные таким образом отходы вступают в естественный круговорот веществ в природе за счет их обезвреживания и превращения в компост – ценное органоминеральное удобрение, используемое, например, для целей городского озеленения или в качестве биотоплива. В процессе переработки отходов создаются условия, губительно действующие на большинство болезнетворных микроорганизмов, яйца гельминтов и личинки мух.
Наиболее совершенным считают непрерывный процесс компостирования с аэробным принудительным окислением органических отходов во вращающемся биотермическом барабане.
В работе рассматривается комплексный метод утилизации твердых бытовых отходов. Данная концепция предполагает следующие действия в сфере обращения с твердыми бытовыми отходами:
Однако такое решение проблемы обращения с твердыми бытовыми отходами не исключает попадание малотоннажных промышленных о тходов в их состав. В ходе сбора и транспортировки происходит загрязнение твердых бытовых отходов ртутью, в результате боя при погрузочно-разгрузочных работах и транспортировке ртутьсодержащих люминесцентных ламп, что представляет опасность для здоровья людей.
Нами предложена принципиальная схема обращения с малотоннажными промышленными отходами, представленная как анимированное изображение 3.1.
Анимация 3.1: 5 кадров; 7 повторений; 85,4 КБ
Таким образом, в сфере обращения с ртутьсодержащими люминесцентными лампами предполагается:
Таким образом, рациональным решением проблемы обращения с твердыми бытовыми отходами в Донецкой области является строительство мусоросортировочных станций, что позволяют извлекать из мусора ресурсноценное сырье, такое как текстиль, бумага, пластмасса, спрессовываемое в брикеты, а также стекло и металли. Строительство мусоросортировочной станции является актуальным как с экономической, так и с экологической сторон. Во-первых возможно получение прибыли за счет продажи вторсырья потребителю, а во-вторых – снизить нагрузку на окружающую природную среду.