Инженерная экология и её место в системе знаний о человеке и природе
Фильтрация вне конкуренции, когда речь идет об обеспечении исключительно высокой эффективности улавливания очень мелких частиц ценой умеренных затрат.
Тканевые фильтры используют там, где необходимо достичь высокой эффективности и где условия позволяют использовать фильтр без его повреждения. Применение фильтров ограничено температурами, превышающими 500–600ºК, при которых разрушается ткань, а также составом газа.
Для первичной фильтрации при температурах, превышающих 500–600ºК, используют гравийные фильтры. Эти фильтры громоздки и тяжелы.
Волокнистые фильтры обычно не очищают. Их используют, когда концентрация частиц низка (менее 2 г/м3) и фильтр может прослужить достаточно долго, не требуя замены.
Преимущества фильтрации – сравнительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки.
Недостатки фильтрации – высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала пылью
Электрофильтры
Электрофильтр – это аппарат или установка, в которых используются электрические силы для отделения взвешенных частиц от газов.
Рис. 2.8. Электрофильтр
Сущность процесса электрической очистки газов состоит в следующем. Газ, содержащий взвешенные частицы, проходит через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов и размещенных на некотором расстоянии (называемом межэлектродным промежутком) коронирующих электродов, к которым подводиться выпрямленный ток высокого напряжения (рис.2.8).
При достаточно большом напряжении, приложенном к межэлектродному промежутку, у поверхности коронирующего электрода происходит интенсивная ударная ионизация газа, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (короны), который на весь межэлектродный промежуток не распространяется и затухает по мере уменьшения напряженности электрического поля в направлении осадительного электрода.
Газовые ионы различной полярности, образующиеся в зоне короны, под действием сил электрического поля движутся к разноименным электродам, вследствие чего в межэлектродном промежутке возникает электрический ток, называемым током короны. Улавливаемые частицы из-за адсорбции на их поверхности ионов приобретают в межэлектродном промежутке электрический заряд и под влиянием сил электрического поля движутся к электродам, осаждаясь на них. Основное количество частиц осаждается на развитой поверхности осадительных электродов, меньшая их часть попадает на коронирующие электроды. По мере накопления на электродах осажденные частицы удаляются встряхиванием или промывкой электродов.
Широкое применение электрофильтров для улавливания твердых и жидких частиц обусловлено следующими их показателями:
· универсальность и высокая степень очистки (до 99%) при сравнительно низких энергозатратах, причем улавливаются частицы любых размеров, включая и субмикронные;
· возможно применение при высоких температурах, а также в условиях воздействия различных коррозионных сред;
· системы пылеулавливания с применением электрофильтров могут быть полностью автоматизированы;
· низкие эксплуатационные затраты.
Электрофильтры также имеют и ряд недостатков:
· капитальные затраты на сооружение высоки ввиду того, что эти аппараты металлоемки и занимают большую площадь;
· высокая чувствительность процесса электрической очистки к отклонениям от заданного технологического режима, а также к незначительным механическим дефектам внутреннего оборудования;
· не применяются, если очищаемый газ представляет собой взрывоопасную смесь.
Преимущественной областью применения электрофильтров является очистка больших объемов газов.
Общие сведения о литосфере
Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, постепенно переходящая в сферы с меньшей прочностью вещества и включающая в себя земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 5…200 км, в том числе земной коры – до 50…70 км на континентах и 5…10 км на дне океана. Верхние слои литосферы (до 2–3 км) называются литобиосферой.
Литосфера – важнейшая часть окружающей природной среды, характеризующаяся площадью, рельефом, почвенным покровом, растительностью, недрами, а также пространством для размещения всех отраслей народного хозяйства.
Природные химические соединения элементов земной коры – минералы. Из них и состоят многочисленные типы горных пород. Основные группы горных пород: магматические, осадочные и метаморфические.
Схема строения литосферы Земли:
Магматические породы – результат застывания вулканической магмы. На глубинах 15–30 км – в основном граниты.
Осадочные породы – преимущественно поверхностные образования, возникшие при разрушении горных пород.
Метаморфические породы – продукты изменения магматических и осадочных пород в результате воздействия физико-химических процессов, в основном высоких температур и давлений.
Литосфера не является застывшим, неподвижным образованием. В ней постоянно происходят длительные (многовековые перемещения материков) и кратковременные (землетрясения) физические процессы, вулканические изменения.
Человек практически не воздействует на литосферу, хотя верхние горизонты земной коры подвергаются сильной трансформации в результате эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Существуют проекты захоронения в недрах жидких и твердых промышленных отходов.
Наибольший трансформации подвергается самый верхний поверхностный горизонт литосферы в пределах суши. (Суша занимает 29,2% поверхности земного шара).
Суша включает земли различной категории, из которых плодородная почва имеет важнейшее значение.
Почва является трехфазной средой, содержащей твердые, жидкие и газообразные компоненты. Верхний плодородный слой почвы называется гумусом – растительные и живые остатки, разложившиеся под действием микроорганизмов, разрушающие крахмал, целлюлозу, белковые соединения. Его мощность 10…15 см. Ниже гумусового горизонта расположен малоплодородный слой толщиной 10…12 см. Питательные вещества вымыты из него водой или кислотами, поэтому его называют горизонтом вымывания, или выщелачивания. Далее залегает материнская порода.
Слой растительного опада, состоит из ещё не разложившихся растительных остатков
Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы. Именно в нем происходят процессы, в результате которых образуются элементы питания растений.
Малоплодородный белесый слой, питательные вещества вымыты из него водой или кислотами. Иногда его называют горизонтом выщелачивания (элювиальным). В черноземных, каштановых и некоторых других этот слой отсутствует.
В этом горизонте накапливаются вымытые из вышележащих горизонтов минеральные и органические соединения. Он имеет плотную структуру и обычно темную окраску.
Рис. 4.1. Профиль почвы
A0-Слой растительного опада, состоит из ещё не разложившихся растительных остатков
A0-A1 -Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы. Именно в нем происходят процессы, в результате которых образуются элементы питания растений.
A1-Малоплодородный белесый слой, питательные вещества вымыты из него водой или кислотами. Иногда его называют горизонтом выщелачивания (элювиальным). В черноземных, каштановых и некоторых других этот слой отсутствует.
A2-В этом горизонте накапливаются вымытые из вышележащих горизонтов минеральные и органические соединения. Он имеет плотную структуру и обычно темную окраску.
Важнейшее свойство почвы – плодородие, то есть способность обеспечивать органическое и минеральное питание растений. Плодородие зависит от совокупности физических и химических свойств почвы – эдафогенные (эдафические факторы).
Она формируется в результате сложных взаимодействий климата, растений, животных, микроорганизмов и рассматривается как биокосное тело, содержащее живые и неживые компоненты.В результате перемещения и превращения веществ почва обычно расчленяется на отдельные слой, или горизонты.
Существует множество типов почв, связанных с различными климатическими условиями и спецификой процессов её образования.
Главные типы почв России: тундровые, подзолистые почвы таежно-лесной зоны (самые распространенные), черноземы, серые лестные почвы, каштановые почвы (к югу и востоку от черноземных), бурые почвы и др.
Биотические факторы почвы.
Важнейшими химическими свойствами почвы, превращающими ее в уникальной реактор, являются концентрация солей в почвенном растворе, кислотность, оказывающая решающее влияние на активность микроорганизмов и усвоение растениями азота, а также обменная или поглотительная способность почвы, связанная с суммой обменных оснований почвенных коллоидов.
Содержание воды в почве зависит от ряда факторов, в том числе от температуры и количества осадков. Чем выше концентрация солей в почвенном растворе, тем менее они доступны растениям.
В первую очередь зеленые растения извлекают из почвы питательные вещества (химические вещества) и возвращают их обратно вместе с отмирающими тканями.
Основным материалом для образования подстилки и гумуса в лесах служат остатки мхов, травянистых растений, но главным образом – хвоя и листва деревьев, определяющих кислотность почвы.
В процессах почвообразования решающую роль играют населяющую почву живые организмы (педобиониты): микробы, безпозвоночные и др. Микроорганизмам принадлежит ведущая роль в трансформации химических соединений, миграции химических элементов, питании растений.
Питательные вещества из почвы поступают в растение через корневые окончания в ионной форме: катионы оснований, например, обмениваются на катионы водорода, источником которых могут быть органические кислоты. Корни растений извлекают из почвы соединения азота (нитраты), серы, фосфора, а также зольные элементы, в частности соли калия, кальция и в меньшей степени кремнезем и полуторные оксиды. Таким образом, растительность создает непрерывный поток зольных элементов из более глубоких слоев почвы к ее поверхности, т.е. обеспечивает их биологическую миграцию.
Антропогенное загрязнение почв
Человек практически не воздействует на литосферу, хотя верхние горизонты земной коры сильно изменяются в результате эксплуатации месторождения полезных ископаемых. Наибольшей трансформации подвергается самый верхний, поверхностный горизонт в пределах суши, которая занимает 29,2% поверхности земного шара и включает земли различной категории, из которых важнейшее значение имеет плодородная почва. Под влиянием деятельности людей возникает ускоренная эрозия, когда почвы разрушаются в 100...1000 раз быстрее, чем в естественных условиях.
В результате такой эрозии за последнее столетие утрачено 2·109 га плодородных земельных угодий, что составляет 27% земель сельскохозяйственного использования.
При неправильной эксплуатации почвы безвозвратно уничтожаются в результате эрозии, засоления, загрязнения промышленными или иными отходами.
Различаются несколько типов разрушения почвы: эрозионное, ветровое (дефляция), техническое и ирригационное (разновидность эрозии).
Эрозия – самое распространенное разрушение почвы. Эрозия выражается в размыве почвы, смыве её талыми, дождевыми и ливневыми водами. Обычно эрозия возникает на наклонных поверхностях. Чем круче склон, тем интенсивнее эрозия.
В первую очередь смываются наиболее плодородные верхние слои почвы. Смыв достигает огромных размеров. По некоторым данным благодаря ускоренной эрозии речной водой сносится 24·109 т/год земли. (Примером служит образование оврагов). За последнее столетие утрачены 2 млрд. га плодородных земельных угодий (27% с/х земель). Ирригационная эрозия вызвана нарушением правил полива на орошаемых землях.
Развеивание верхних горизонтов почвы сильными ветрами называется дефляцией. При этом почва теряет самые мелкие частицы, а вместе с ними важнейшие для плодородия химические вещества.
Дефляции способствуют – уничтожение растительности на территориях с недостаточной атмосферной увлажненностью, неумеренный выпас скота, сильные ветра. (Примером служит возникновение пылевых бурь).
Площади пахотных земель постоянно сокращаются из-за горнопромышленных разработок, расширения селитебных зон, промышленного и гидротехнического строительства.
Застроенные земли составляют ныне 150 млн. га. Полностью урбанизированная поверхность, где дождевая вода не проникает в почву составляет около 50 млн. га (площадь Франции).
Разрушению почв способствует вырубка лесов – их площадь за последние 10 лет сократилась вдвое.
Что касается загрязнения литосферы, то от него в большей степени страдают почвы.
В почве протекают различные физические, химические и биологические процессы, которые в результате попадания в нее загрязняющих веществ нарушаются. Загрязнение почв связано с загрязнением атмосферы и гидросферы. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы. Основными загрязняющими почву веществами являются металлы и их соединения, радиоактивные вещества, удобрения и пестициды.
Главные источники загрязнения
Главными источниками загрязнения почвы являются следующие:
· Жилые дома и бытовые предприятия. В числе загрязняющих веществ преобладает бытовой мусор, пищевые отходы, фекалии, отходы отопительных систем, больниц, столовых, гостиниц, магазинов и др.
· Промышленные предприятия. В газообразных, жидких и твердых промышленных отходах присутствуют те или иные вещества, которые существенно изменяют химический состав почв, загрязняя их.
· Теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков при сжигании каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в атмосферу сажи, несгоревших частиц, оксидов серы и других веществ, которые попадают в почву.
· Сельское хозяйство. Удобрения и ядохимикаты, применяемые для защиты растений от вредителей, болезней и для борьбы с сорняками. На полях ежегодно рассеивается свыше 500·106 т минеральных удобрений и около 4·106 т ядохимикатов, а типовой свиноводческий комплекс на 108 тыс. голов дает около 106 м3 навозных стоков, т.е. по эффекту загрязнения равен городу с численностью населения 150 тыс. человек.
· Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды и другие вещества, оседающие на поверхности почвы или поглощаемые растениями. В выхлопных газах автомобилей более 40 химических веществ, большинство из которых токсичны. Следы свинца находят на расстояниях до 100 м от полотна дороги, а в почве придорожных полос повышенное содержание никеля, цинка и других металлов.
Самоочищение почв – процесс медленный. Почвы могут самоочиститься в тех случаях, когда в этом процессе активно участвуют находящиеся в почве бактерии, грибы, простейшие организмы и т.д.
При накоплении токсичных веществ химический состав почв изменяется, и происходит нарушение единства геохимической среды и живых организмов.
Из почвы токсичные вещества могут попасть в организмы животных и людей, в результате чего возникают нежелательные последствия. О масштабах химического преобразования поверхности литосферы можно судить по следующим данным: за столетие (1870–1970 гг.) на земную поверхность осело свыше 20·109 т шлаков; 3·109 т золы; выбросы цинка и сурьмы составили по 600·103 т; мышьяка – 1,5·106 т; кобальта – свыше 0,9·10б т; никеля – более 1·106 т. В год из Земли извлекается до 10 т горных пород, однако использование ископаемых материалов малоэффективно. Каждый год при переработке и добыче минерального сырья образуется около 8,5·109 т твердых отходов.
Нормирование загрязняющих веществ в почве
Нормирование загрязняющих веществ в почве имеет три направления:
· нормируется содержание ядохимикатов в пахотном слое почвы сельскохозяйственных угодий;
· нормируется накопление токсичных веществ на территории предприятия;
· нормируется загрязненность почвы в жилых районах, преимущественно в местах хранения бытовых отходов.
В пахотном слое ядохимикаты нормируются по двум показателям:
· предельно допустимым концентрациям (ПДКП);
· временно допустимым концентрациям (ВДКП).
Для установления ПДКП используют данные о фоновых концентрациях исследуемых веществ, их физико-химических свойствах, параметрах стойкости/токсичности. При этом экспериментально устанавливают:
· допустимую концентрацию вещества в почве, при которой его содержание в пищевых и кормовых растениях не превысит некоторых допустимых остаточных количеств (ДОК), иначе называемых ПДКПР в продуктах питания (ТВ мг/кг),
· допустимую (для летучих веществ) концентрацию, при которой поступление вещества в воздух не превысит установленных ПДК для атмосферного воздуха (ПДКав) (МА мг/м3),
· допустимую концентрацию, при которой поступление вещества в не грунтовые воды не превысит ПДК для водных объектов (МВ мг/м3),
· допустимую концентрацию, не влияющую на микроорганизмы и процессы самоочищения почвы (ОС мг/кг).
Наиболее жесткие из названных показателей принимаются в качестве ПДКП, причем сравнение идет по одноименным показателям вредности, то есть по сходному действию разных веществ. Установлены ПДКП в основном для ядохимикатов, применяемых для защиты растений от вредителей, болезней, сорняков. (Пестициды, тяжелые металлы…)
Временно допустимые концентрации (ВДКП) в отличие от ПДКП определяются расчетным путем для всех пестицидов, которые разрешены к этим испытаниям или в силу своих химических особенностей и требуют обязательного определения ПДК.
Санитарное состояние почвы оценивается по ряду гигиенических показателей, в том числе по так называемому, санитарному числу, т.е. отношению содержания белкового азота к общему органическому; учитывается также наличие кишечной палочки (коли-титр), личинок мух, яиц гельминтов. По комплексу этих показателей почва оценивается как:
· чистая,
· слабозагрязненная,
· загрязненная,
· сильнозагрязненная.
Кроме того, существует ряд дополнительных показателей санитарного состояния почв, определяемых на территории, как производственных предприятий, так и населенных пунктов.
Нормативы накопления токсичных отходов на территории предприятия устанавливают на основе совокупности показателей, включающих:
· размеры территории складирования,
· токсичность и химическую активность соединений, присутствующих в отходах.
Обычно нормируются два показателя:
· предельное количество токсичных промышленных отходов на территории предприятия
· предельное содержание токсичных соединений в промышленных отходах.
Предельное количество отходов на территории предприятия – это такое их количество, которое можно размещать при условии, что возможное выделение вредных веществ в воздух рабочей зоны не превысит 30% от ПДК в воздухе рабочей зоны предприятия.
При этом вещества, наиболее опасные и даже хранимые в герметизированной таре, а также токсичные отходы очистных сооружений удаляются с территории предприятия в течении суток.
Твердые сыпучие отходы, хранящиеся в контейнерах, пластиковых пакетах и бумажных мешках, удаляются в течении двух суток.
Предельное количество отходов определяют путем замеров содержания токсичных веществ в воздухе (с учетом эффекта суммации).
Если соотношение
то количество находящихся на территории отходов является предельным и они подлежат немедленному удалению.
(С – средневзвешенная концентрация)
Предельное содержание токсичных соединений (в г/кг или мг/кг) в отходах определяет класс опасности этих отходов.
Здесь используются сложные многоступенчатые расчеты, конечной целью которых является установление ПДК токсичных веществ в общей массе отходов.
Деградация почв
Скорость образования верхнего слоя почвы составляет примерно 2,5 см за 100…1000 лет. Этот показатель широко варьируется в зависимости от климата, растительности, типа почвы и характера землепользования.
Эрозия почвы измеряется в тоннах потерянной почвы на 1 га. В современном сельском хозяйстве ежегодно утрачивается коло 0,25 см почвы, а, значит, весь пахотный слой почвы может быть утрачен через 60–70 лет.
В составе земельного фонда учитываются семь категорий по назначению земель:
I – земли сельскохозяйственных предприятий и граждан;
II – земли лесного фонда;
III – земли в ведении городских, поселковых и сельских органов власти;
IV – земли природоохранного назначения;
V – земли промышленности, транспорта и иного несельскохозяйственного назначения;
VI – земли водного фонда;
VII – земли запаса.
Масштабы деградационных процессов зависят от интенсивности действия естественных (климатические, гидрологические, морфодинамические, фито- и зоогенные) и антропогенных факторов, таких как: нерациональное ведение бочарного и орошаемого земледелия; чрезмерный выпас; уничтожение почвенно-растительного покрова промышленным и коммунальным строительством; горные разработки; технологические и аварийные промышленные выбросы в атмосферу; сброс сточных и дренажных вод.
Рекультивация земель
Рекультивация – комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды.
Выделяют два этапа рекультивации:
· технический;
· биологический.
Выполняемые работы подразделяются на:
· ландшафтно-восстановительные,
· экоохранные.
По виду и составу технологических процессов землевосстановительные работы классифицируются на:
· горно-планировочные – разравнивание и планировка поверхности отвалов, террасирование откосов, отвалов и уступов в карьерах;
· инженерную подготовку восстанавливаемых площадей – отвод вод и защита от подтопления, размывов; борьба с образованием оврагов и эрозией; устройство дорог и подъездов;
· горные – по снятию, хранению и повторному использованию почв;
· биомелиоративные – по восстановлению прежнего плодородия перемещенной почвы;
· инженерные – по искусственному уплотнению отвалов (послойная укладка с уплотнением пород, специальные методы укрепления пород;
· гидротехнические – по строительству водохозяйственных объектов (устройство ложа водоема, производство береговых укрепительных работ, устройство водозаборных и сбросных сооружений).
Биологическая рекультивация – это этап рекультивации земель, включающий мероприятия по восстановлению их плодородия, нарушенного в результате загрязнения почв отходами промышленного производства и сельскохозяйственной освоенности.
Под качеством рекультивации следует понимать совокупность свойств восстановленных земель, обусловливающих их пригодность удовлетворить определенным требованиям в соответствии с целевым назначением. Современный уровень развития технологии, техники и организации землевосстановительных работ позволяет обеспечить высокие показатели качества рекультивации земель.
Управление отходами производства и потребления
Отходами производства и потребления (отходы) принято называть остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, которые образовались в процессе производства или потребления, а также товары (продукция), утратившие свои потребительские свойства.
Отходы, содержащие вредные вещества, которые обладают опасными свойствами (токсичностью, пожаро-взрывоопасностью, высокой радиационной активностью) или содержат возбудителей инфекционных болезней, а также представляющие потенциальную опасность для окружающей природной среды и здоровья человека самостоятельно или при вступлении в контакт с другими веществами, называются опасными отходами.
Обращение с отходами – это такая деятельность, в процессе которой образуются отходы, а также производится сбор, использование, обезвреживание, транспортировка и размещение отходов.
Под объектом размещения отходов следует понимать специально оборудованное сооружение, предназначенное для размещения отходов (полигон, шламохранилище, хвостохранилище, отвал горных пород и др.
Каждому производителю продукции устанавливается норматив образования отходов, то есть количество отходов конкретного вида при производстве единицы продукции.
Одним из основных документов в системе управления отходами является паспорт опасных отходов – документ, удостоверяющий принадлежность отходов к отходам соответствующего вида и класса опасности, содержащий сведения об их составе, который необходим для организации многих процессов обращения с отходами.
Совокупность отходов, имеющих общие признаки, соответствующие системе классификации отходов определяет понятие – вид отходов.
Проблема отходов в РФ и развитых странах мира
Отходы в больших количествах образуются во всех базовых отраслях промышленности (сельское хозяйство, энергетика, металлургия, строительство, транспорт), а также в быту.
Твердые бытовые отходы (ТБО), образующиеся в результате жизнедеятельности человека, представляют собой гетерогенную смесь сложного морфологического состава (черные и цветные металлы, макулатуросодержащие и текстильные компоненты, стеклобой, пластмасса, токсически опасные гниющие пищевые и растительные остатки, камни, кости, кожа, резина, дерево, уличный смет и пр.). Большую опасность представляют попадающие в ТБО токсичные, инфицированные компоненты (в т.ч. медицинские и биологические отходы), создающие в необезвреженном виде неблагоприятную санитарно-эпидемиологическую обстановку. В то же время ТБО содержат ценные компоненты (металлы, органические вещества), а также являются потенциальным энергетическим источником.
Ежегодно каждый городской житель производит 200–500 кг ТБО, образующих городской мусор. Промедление с его удалением, обезвреживанием и ликвидацией недопустимо, так как оно может привести к возникновению глобальных эпидемий и серьезному загрязнению городов. Поэтому особое внимание в последнее время направлено на необходимость решения проблемы ТБО.
Основная часть ТБО в России складируется на полигонах и санкционированных свалках. Другие методы переработки и обезвреживания ТБО не получили широкого применения.
В Московском регионе ежегодно образуется 20 млн. куб. метров отходов (13 млн. куб. метров в Москве и 7 млн. куб. метров – в области). Основным способом размещения ТБО является их складирование на полигонах. Количество полигонов и свалок, площадь которых превышает 1 га, на территории Московской области насчитывает более 200, число мелких свалок очень велико и практически не поддается учету.
До последнего времени при организации свалок принимались во внимание только сиюминутные интересы эксплуатации. Поэтому эти объекты расположены на неиспользуемых землях, в отработанных карьерах, вблизи населенных пунктов. Игнорирование роли гидрогеологических условий привело к тому, что многие свалки были организованы на участках с неблагоприятными геолого-гидрогеологическими условиями и стали источниками интенсивного загрязнения природной среды.
В общем виде проблема обращения с отходами производства и потребления представляет собой комплекс взаимосвязанных задач, характерных для различных регионов и административных образований.
На рис.6.1 представлена структурная схема обращения с отходами производства и потребления, являющаяся основой системы управления отходами.
Рис. 6.1. Структурная схема обращения с отходами производства и потребления
Структура системы управления отходами в странах Западной Европы, США, Японии и др. аналогична структуре, принятой в РФ. Однако, реализация технологических процессов и циклов, входящих в общий процесс управления отходами, различна. Так, например, в странах ЕЭС перерабатывается примерно 60% промышленных и около 95% сельскохозяйственных отходов. В Японии перерабатывается около 45% промышленных отходов.
Анализ обращения с твердыми бытовыми отходами в этих странах показывает, что в Великобритании 90% ТБО вывозится на свалки (полигоны), в Швейцарии – 20% , в Японии и Дании – 30%, во Франции и в Бельгии – 35%. Остальные ТБО, в основном, сжигаются. Лишь небольшая часть ТБО подвергается компостированию.
Технические методы обращения с отходами
Захоронение отходов производства и потребления является наиболее широко практикуемым способом размещения отходов. К сожалению, захоронение отходов порождает массу экологических и санитарно-гигиенических проблем. Однако в ближайшем будущем захоронение будет оставаться наиболее распространенным методом.
Поэтому снижение объема отходов, подлежащих захоронению одна из важнейших задач, которая может решаться путем уменьшения их образования, повторного использования, переработки и извлечения энергии. Вместе с тем необходимо проводить работы по созданию методов безопасного и экологического захоронения отходов.
Под санитарным полигоном (СП) принято понимать инженерно сконструированный метод размещения твердых отходов на суше способами, уменьшающими вред окружающей среде, распределение отходов тонкими и возможно более компактными слоями и перекрывание их слоями грунта в конце каждого рабочего дня.
Существует два способа организации санитарного полигона траншейный и поверхностный.
Траншейный метод наиболее подходит для районов с ровной поверхностью земли и глубоким залеганием подземных вод. При этом, перекрывающий грунт образуется в результате экскавации траншеи. Почва складируется и используется для рекультивации при закрытии участков траншей.
Поверхностный метод применяется на холмистом ландшафте и использует естественные склоны с уклоном, не превышающим 30%. Грунт для перекрывания должен доставляться из других мест.
Полный перечень проблем, связанных с эксплуатацией СП, приведены на рис.6.2
Рис. 6.2. Основные проблемы, возникающие при эксплуатации СП
Весьма важным фактором, определяющим возможность создания и эксплуатации СП, является экономический, основанный на капитальных вложениях и операционных расходах.
Неотъемлемой частью любого полигона является сеть дорог: подъездные к картам, а также дорога с железобетонным покрытием, окольцовывающая полигон.
В связи с большим количеством описанных выше проблем, последнее время возникла стойкая тенденция к снижению объемов ТБО, вывозимых на полигоны.
Прежде всего уменьшения количества вывозимых отходов можно добиться путем сортировки (на местах образования или непосредственно перед переработкой).
В общем случае назначение сортировки ТБО заключается в выделении тех или иных ценных компонентов ТБО для вторичного использования их, а также с целью оптимизации состава отходов для последующих пределов переработки с учетом: гомогенизации; способности к горению и ферментации; стабилизации теплотворной способности; снижения содержания вредных и балластных компонентов.
Селективный сбор у населения отходов потребления (макулатура, текстиль, пластмассы, стеклотара и пр.) практикуется во многих странах. Такой подход позволяет предотвратить попадание в ТБО ряда ценных компонентов, перерабатываемых или используемых повторно, а также опасных компонентов. При этом возможны два варианта организации селективного сбора ТБО в местах их образования: чисто селективный (покомпонентный) сбор отходов в различные контейнеры и, так называемый, коллективно-селективный сбор ряда компонентов в один контейнер. Например, практикуется совместный сбор в один контейнер стекла, металлов и бумаги с последующей их механизированной сортировкой на специальной установке. В России в настоящее время селективный сбор практически отсутствует .
В настоящее время наибольшее распространение получили два варианта технологии сортировки твердых бытовых отходов:
· механизированная сортировка ТБО на объектах промышленной переработки отходов;
· сочетание механизированной и ручной сортировки на мусороперегрузочных станциях.
Промышленная переработка ТБО в основном ориентирована на сжигание отходов с целью получения тепловой и электрической энергии, так как термические технологии обеспечивают эффективное обезвреживание отходов, в том числе попадающих в ТБО токсичных и инфицированных компонентов.
Уменьшение количества направляемых на сжигание отходов в результате предварительной сортировки сокращает потребность в дорогостоящем термическом и газоочистном оборудовании и по сравнению с сжиганием исходных ТБО снижает капитальные затраты до 25%. Кроме этого, извлечение с помощью сортировки экологически опасных компонентов уменьшает содержание вредных веществ в газовых выбросах, упрощает газоочистку, снижает стоимость газоочистного оборудования и уменьшает отрицательное экологическое влияние мусоросжигательной завода.
Внедрение предварительной сортировки позволяет получить прибыль от реализации товарной продукции, равную 20–25%. Эта прибыль образуется за счет выделения лома цветных металлов и лучшего качества лома черных металлов.
Введение в технологическую схему операций ручной сортировки отходов дает возможность выделения отдельных компонентов ТБО в более чистом виде по сравнению с механизированной сортировкой. Например, в этом случае можно разделить макулатуру и полимеры с целью их последующей реализации потребителям и получения прибыли. Поэтому на мусороперегрузочных станциях предлагается использовать технологическую схему с применением операций ручной сортировки для выделения содержащихся в отходах ценных компонентов (металлов, макулатуры, полимеров и др.).
Повышение эффективности ручной сортировки может быть достигнуто и с помощью трех последовательных механизированных операций:
· магнитной сепарации;
· выделения текстильных компонентов и грохочения в барабанном грохоте,
· включения в технологическую схему электродинамической сепарации цветного лома. Однако эффективность этой операции невысока.
Основные методы переработки отходов
Комплекс технических и технологических решений, сопровождающих процессы обращения с отходами с момента их образования и до захоронения неутилизируемых компонентов, является основой управления в системе обращения с отходами.
Основными методами переработки отходов являются:
· компостирование,
· биоразложение,
· сжигание.
Эти методы особенно эффективны при переработке ТБО.
1. Компостирование.
Компостирование считается формой переработки, нацеленной на сырую органическую отходную массу. Компостирование – это биологический метод обезвреживания ТБО. Иногда его называют биотермическим методом.
Сущность процесса заключается в следующем: разнообразные, в основном теплолюбивые микроорганизмы активно растут и развиваются в толще мусора, в результате чего происходит его саморазогревание до 600С. При такой температуре погибают болезнетворные и патогенные микроорганизмы. Разложение твердых органических загрязнений в бытовых отходах продолжается до получения относительно стабильного материала, подобного гумусу.
Механизм основных реакций компостирования такой же, как при разложении любых органических веществ. При компостировании более сложные соединения разлагаются и переходят в более простые.
Стоимость методов компостирования растет с применением специализированной техники и может достигать значительных величин.
Схема работы мусороперерабатывающего завода следующая. Законченный цикл обезвреживания ТБО состоит из трех технологических этапов:
· прием и предварительная подготовка мусора;
· собственно биотермический процесс обезвреживания и компостирования;
· обработка компоста.
Переработка мусора должна обязательно сочетаться с выдачей продукции, безопасной и в эпидемиологическом отношении.
Обезвреживание отходов обеспечивается в первую очередь высокой температурой аэробной ферментации. В ходе биотермического процесса происходит гибель большей части патогенных микроорганизмов.
Однако, компост, получаемый в результате биотермического обезвреживания ТБО на мусороперерабатывающих заводах, не должен быть использован в сельском и лесном хозяйства, т.к. содержит примеси тяжелых металлов, которые через травы, ягоды, овощи или молоко могут причинить вред здоровью человека.
По этой же причине целесообразно несистематическое применение таких компостов в городских скверах и парках.
Недостатком компостирования является необходимость складирования и обезвреживания некомпостируемой части мусора, объем которой составляет значительную часть от общего количества мусора.
2. Биоразложение органических отходов
Общепризнанно, что биологические методы разложения органических загрязнений считаются наиболее экологически приемлемыми и экономически эффективными.
Технология процесса биоразложения отходов различна. Например: в биопрудах – жидкие отходы, в биореакторах – жидкие, пастообразные, твердые, в биофильтрах - газообразные. Существуют и другие модификации биотехнологии.
Существенными недостатками аэробных технологий, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией большого количества образующегося избыточного ила (до 1–1,5 кг биомассы микроорганизмов на каждый удаленный килограмм органических веществ).
Исключить указанные недостатки помогает анаэробная обработка сточных вод методом метанового сбраживания. При этом не требуется затрат энергии на аэрацию, что играет большую роль в условиях энергетического кризиса, уменьшается объем осадка и, кроме того, образуется ценное органическое топливо – метан.
В перечень веществ, биоразлагаемых анаэробным способом, входят органические соединения различных классов: спирты; альдегиды; кислоты алифатического и ароматического рядов.
Последовательное многоступенчатое разрушение молекул органических веществ возможно благодаря уникальным способностям определенных групп микроорганизмов осуществлять катаболический процесс – расщепление сложных молекул до простых и существовать за счет энергии разрушения сложных молекул, не имея доступа ни к кислороду, ни к другим, предпочтительным в энергетическом отношении акцепторам электронов (нитрат, сульфат, сера и др.). Микроорганизмы используют для этой цели углерод органических веществ. Следовательно, в процессе восстановительного расщепления сложные органические молекулы разрушаются до метана и углекислого газа.
Нет уверенности в том, что биотехнология является надежным и безопасным способом обеспечения экологической чистоты. Поэтому при обсуждении перспектив эффективного использования биотехнологии для обезвреживания различных отходов, в том числе особо опасных, всегда необходим контроль степени микробного загрязнения объектов окружающей среды и очищенных субстратов.
3. Сжигание отходов
Твердые бытовые отходы представляют собой гетерогенную смесь, в которой присутствуют почти все химические элементы в виде различных соединений. Наиболее распространенными элементами являются углерод, на долю которого приходится около 30% (по массе) и водород 4% (по массе), входящие в состав органических соединений. Теплотворная способность отходов во многом определяется именно этими элементами. В промышленно развитых европейских регионах теплотворная способность ТБО составляет 1900–2400 ккал/кг, а в ряде случаев достигает 3300 ккал/кг и прогнозируется дальнейший рост теплотворной способности отходов, что окажет влияние на конструктивные особенности элементов термического оборудования.
Сжигание ТБО, как правило, является окислительным процессом. Поэтому и в камере сжигания превалируют окислительные реакции. Главными продуктами сгорания углерода и водорода являются соответственно СО2 и Н2О.
При сжигании необходимо учитывать, что в ТБО присутствуют потенциально опасные элементы, характеризующиеся высокой токсичностью, высокой летучестью и содержанием, такие как например различные соединения галогенов (фтора, хлора, брома), азота, серы, тяжелых металлов (меди, цинка, свинца, кадмия, олова, ртути).
Можно отметить два основных пути образования диоксинов и фуранов при термической переработке ТБО:
· первичное образование в процессе сжигания ТБО при температуре 300–600ºС;
· вторичное образование на стадии охлаждения дымовых газов, содержащих HCl, соединения меди (и железа) и углеродсодержащие частицы при температуре 250–450ºС (реакция гетерогенного оксихлорирования частиц углерода).
Температура начала распада диоксинов –700ºС, нижний температурный предел образования диоксинов –250–350ºС.
Для того, чтобы при сжигании на стадии газоочистки обеспечить снижение содержания диоксинов и фуранов до требуемых норм (0,1 нг/м3) должны быть реализованы так называемые первичные мероприятия, в частности, «правило двух секунд» – геометрия печи должна обеспечить продолжительность пребывания газов не менее 2 сек. в зоне печи с температурой не менее 850ºС (при концентрации кислорода не менее 6%).
Стремление к достижению при сжигании максимально высоких температур и созданию каких-либо дополнительных зон дожигания не решает полностью проблему снижения концентрации диоксинов в отходящих газах, так как не учитывает способности диоксинов в новому синтезу при снижении температуры.
Высокие температуры приводят к увеличению выхода летучих компонентов и росту выбросов опасных металлов.
Теоретически возможны два способа подавления образования диоксинов:
· связывание образующегося при сжигании ТБО HCl с помощью соды, извести или гидроксида калия;
· перевод в неактивную форму ионов меди и железа, например, связывание меди в комплексы с помощью аминов.
В зависимости от температуры процесса, все методы термической переработки ТБО, нашедшие промышленное применение или прошедшие опытную апробацию, можно разделить на две большие группы:
· процессы при температурах ниже температуры плавления шлака;
· процессы при температурах выше температуры плавления шлака.
Термические процессы, осуществляемые при температурах менее 1300ºС, применяют наиболее часто. Наибольшее распространение получили процессы слоевого сжигания и сжигание в кипящем слое, требующие принудительного перемешивания и перемещения материала. В настоящее время в стадии разработки находится весьма перспективный процесс сжигания – газификации отходов в плотном слое, реализуемый без принудительного перемешивания и перемещения материала.
Слоевое сжигание ТБО осуществляют на подвижных решетках (колосниковых и валковых) и во вращающихся барабанных печах.
3.1. Слоевое сжигание.
Сжигание на колосниковых решетках.
Все колосниковые решетки устанавливаются в топке, которая представляет собой камеру сгорания, куда подаются отходы и дутьевой воздух в качестве окислителя органических веществ.
Переталкивающие решетки как с прямой, так и с обратной подачей материала представляют собой систему, состоящую из подвижных и неподвижных колосников для перемещения и перемешивания отходов. Колосниковые решетки с прямой подачей (поступательно-переталкивающие решетки) имеют малый угол наклона (6–12,5º) и переталкивают материал в сторону выгрузки шлака (в направлении перемещения материала). Колосниковые решетки с обратной подачей (обратно-переталкивающие решетки) имеют большой угол наклона (обычно 21–25º) и переталкивают материал (нижний слой отходов) в сторону, противоположную выгрузке шлака и перемещению отходов. При этом часть горящего слоя отходов возвращается к началу решетки, что интенсифицирует процесс горения.
Сжигание на валковых решетках.
Слоевое сжигание ТБО на валковых решетках применяется в промышленной практике достаточно широко. При использовании топок с валковыми решетками, заимствованными из практики сжигания угля, материал перемещается с помощью вращающихся валков (барабанов).
Опыт эксплуатации заводов, на которых реализовано слоевое сжигание ТБО в топках с валковыми решетками, позволил выявить целый ряд недостатков:
· неудовлетворительная работа и отрицательное экологическое влияние вследствие плохой стабилизации процесса сжигания;
· часто не достигается оптимальная температура;
· большой выход недожога;
· плохое качество шлака;
· значительная потеря черных металлов;
· эксплуатационные осложнения при попадании в печь бордюрного камня и больших количеств металла;
· сложность организации эффективной газоочистки при нестабильном горении отходов и др.
Механическое внедрение европейского оборудования, предназначенного для прямого сжигания неподготовленных городских отходов в России недопустимо, так как в городах РФ практически отсутствует сбор отходов.
Сжигание в барабанных печах.
Барабанные вращающиеся печи для сжигания исходных (неподготовленных) ТБО применяют редко. Чаще всего эти печи используют для сжигания специальных, в том числе и больничных, отходов, а также жидких и пастообразных промышленных отходов, обладающих абразивным действием.
Барабанные печи устанавливаются с небольшим наклоном в направлении движения отходов. Скорость вращения печи от 0,05 до 2 об./мин. Со стороны загрузки подаются отходы, воздух и топливо. Шлак и зола выгружаются с противоположного конца печи. В первой части печи отходы подсушиваются до температуры 400ºС а затем происходит газификация и сжигание, обычно при температуре 900–1000ºС.
В практике мусоросжигания барабанные печи ранее часто использовали в качестве дожигательных барабанов после колосниковых решеток.
Практика применения барабанных печей в качестве дожигательных барабанов на мусоросжигательных заводах считается устаревшей и подобная технология не закладывается в проекты новых заводов.
3.2. Сжигание в кипящем слое.
Сжигание в кипящем слое осуществляется за счет создания двухфазной псевдогомогенной системы «твердое-газ» за счет превращения слоя отходов в «псевдожидкость» под действием восходящего потока газа, достаточного для поддержания твердых частиц во взвешенном состоянии.
Слой напоминает кипящую жидкость, и его поведение подчиняется законам гидростатики.
Считается, что сжигание в кипящем слое по эколого-экономическим параметрам в ряде случаев превосходит традиционное слоевое сжигание.
Печи для сжигания ТБО в кипящем слое обеспечивают наилучший режим теплопередачи и перемешивания обрабатываемого материала и по этим характеристикам превосходят котлоагрегаты с переталкивающими решетками. Кроме того, аппараты кипящего слоя не имеют движущихся частей или механизмов. Однако необходимость обеспечения режима псевдоожижения обрабатываемого материала накладывает ограничение на его гранулометрический и морфологический состав, а также на теплотворную способность. В ряде случаев процесс сжигания в кипящем слое, особенно в циркулирующем кипящем слое, оказывается более дорогим, чем слоевое сжигание.
Производительность печей для сжигания ТБО в кипящем слое составляет от 3 до 25 т/час. Преобладающая температура сжигания 850–920ºС.
В связи с тем , что температура сжигания ТБО в кипящем слое на 50–100ºС ниже по сравнению со слоевым сжиганием, заметно снижается возможность образования оксидов азота за счет окисления азота воздуха, в результате чего снижаются выбросы NO с отходящими газами.
Роль теплоносителя в системах кипящего слоя обычно выполняет тонкозернистый песок, поверхность частиц которого создает большую по сравнению с традиционным колосниковым сжиганием поверхность нагрева.
После разогревания песка с помощью запальной горелки до температуры 750–800ºС начинают подачу отходов в кипящий слой, где они смешиваются с песком и в процессе движения истираются.
В результате хорошей теплопроводности песка отходы начинают быстро и равномерно гореть. Выделяющееся при этом тепло обеспечивает поддержание песка в горячем состоянии, что позволяет работать в автогенном режиме без подвода дополнительного топлива для поддержания режима горения.
3.3. Сжигание при температурах выше температуры плавления шлака.
Основными недостатками традиционных методов термической переработки ТБО являются большой объем отходящих газов (5000–6000 м3 на 1 т отходов) и образование значительных количеств шлаков (около 25% по массе или менее 10% по объему). Кроме того, шлаки имеют повышенное содержание тяжелых металлов и по этой причине находят лишь ограниченное применение, в основном, в качестве пересыпного материала на свалках.
Для получения расплава шлака непосредственно в процессе термической переработки ТБО необходимо обеспечить температуру в аппарате выше температуры плавления шлаков (около 1300ºС). Это, как правило, требует либо использования кислорода, либо подвода дополнительной энергии. Замена части дутьевого воздуха на кислород одновременно обеспечивает снижение количества отходящих газов.
Наиболее очевидным способом повышения температуры сгорания отходов является уменьшение содержания в используемом окислителе (воздухе) доли инертного компонента (азота), на нагрев которого расходуется значительная часть выделяющейся энергии.
Вторым значительным преимуществом сжигания в кислороде является резкое сокращение объема дымовых газов и следовательно, снижение затрат на газоочистку. Кроме этого, сниженная концентрация азота в дутьевом воздухе позволяет уменьшить количество образующихся при высоких температурах оксидов азота, очистка от которых представляет собой серьезную проблему.
В начале 90-х годов для термической переработки ТБО при температуре 1350–1400ºС предложены металлургические печи Ванюкова. Сжигание осуществляется в кипящем слое барботируемого шлакового расплава, который образуется из загружаемых в печь золошлаковых отходов ТЭЦ.
Механический перенос этого процесса для широкомасштабной термической переработки ТБО не может быть осуществлен из-за:
· того, что КПД печи Ванюкова из-за высокой температуры отводимых газов (1400–1600ºС) очень низок;
· того, что в переработку поступает преимущественно органическое сырье, т.к. ТБО на 70–80% состоят из органических компонентов. При нагревании минеральные вещества переходят в жидкую фазу, а органические в газообразную,
· отсутствия широкомасштабных испытаний процесса применительно к ТБО, что не позволяет отработать: узлы загрузки и разгрузки; автоматизацию процесса с учетом колебаний состава сырья, состава и объема отходящих газов и др.; автогенность процесса применительно к термообработке отходов как гетерогенной смеси многих компонентов, отличающихся составом, крупностью и теплотворной способностью. Следует заметить, что колебания состава ТБО несопоставимы с колебаниями состава порошкообразных концентратов, направляемых для плавки в печи Ванюкова. Тщательное усреднение колебаний состава концентратов позволяет добиться колебаний в пределах 0,5%, в то время как исходные ТБО усреднению практически не поддаются;
· высокой стоимость процесса и оборудования.
Таким образом, наиболее целесообразно использовать сжигание при температурах выше температуры плавления шлака для переработки не исходных ТБО, а для обезвреживания шлаков или их обогащенных фракций, образовавшихся в термических процессах переработки ТБО при температурах ниже температуры плавления шлака. Выход шлаков в этих процессах составляет 10–25% от исходных ТБО, что резко снижает потребную производительность печей и позволяет периодически вовлекать шлак в переработку.
Общие сведения о гидросфере
страница 1страница 2страница 3страница 4страница 5страница 6
скачать
Другие похожие работы: