Некоторые социальные и технологические аспекты проблемы переработки твердых бытовых отходов

Научные руководители – Приходько Н.А., Надирова Ж.К.

Во всем мире остро стоит проблема нейтрализации или утилизации бытового мусора – твердых бытовых отходов (ТБО). Ежегодное количество образуемых отходов в развитых странах составляет до 15 тонн на человека в год, а в странах с сырьевой экономикой эта цифра увеличивается до 50-100 тонн, в Казахстане – около 60 тонн. Данные по производству бытовых отходов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Производство бытовых отходов

В настоящее время в нашей стране накоплено более 21 млрд. тонн отходов, с учетом исторических загрязнений, в том числе, 237 млн. тонн радиоактивных. Имеющаяся статистика отмечает рост токсичных отходов. За последние четыре года, начиная с 2000, их ежегодное образование возросло с 92 до 150 млн. тонн в год, или в 1,6 раза. Основная доля накопления промышленных отходов приходится на Карагандинскую, Павлодарскую и Восточно-Казахстанскую области и представлена вскрышными породами горнодобывающей промышленности, хвостами обогащения, золошлаковыми отходами. Многие месторождения полезных ископаемых были брошены или выведены из эксплуатации без учета экологических требований и сейчас представляют опасность для окружающей среды [6].

Значительная доля образующихся в мире отходов содержит более 10-15% сухих веществ и относится к категории твердых отходов. К ним принадлежат отходы промышленного, сельскохозяйственного и коммунального происхождения, в том числе, отходы городских свалок, содержащие до 50-70% сухих веществ.

Эти отходы представляют опасность для окружающей природной среды и здоровья людей и животных. Твердые бытовые и промышленные отходы (ТБПО) являются благоприятной средой для развития патогенной почвенной микрофлоры, паразитической микро- и макрофауны. Стихийное складирование ТБПО без учета требований и приемов экологической биотехнологии вызывает выделение вредных химических и биохимических компонентов, особенно в летнее время. В то же время, при переработке ТБПО различными методами можно получить до 40% биомассы компоста (в качестве экологически чистого удобрения), 3-5% стеклоизделий, 3-4% железа и железных изделий, 2-3% пластических масс, а при глубоком фракционном разделении – цветные металлы, причем, раздельно [4].

Таким образом, дешевое исходное сырье (отходы) и широкий ассортимент получаемых ценных продуктов в последние годы привлекает к переработке отходов все большее число исследователей.

Твердые бытовые отходы образуются в местах компактного проживания населения, значительные их количества генерируются на крупных урбанизированных территориях, загрязняя окружающую среду при сборе, транспортировке и утилизации. Среднее накопление отходов в крупных городах колеблется, в среднем, от 1,3 до 2,2 м³ на жителя в год. Места размещения полигонов зачастую примыкают к жилым комплексам, сельским населенным пунктам, речным водотокам, водоемам и озерам, что противоречит санитарным нормам и экологическим требованиям. Не налажена практика раздельного сбора и сортировки отходов. Валовой их сбор приводит к значительному накоплению в одном месте биологически активных, эпидемиологически опасных отходов. После заполнения полигоны и свалки не рекультивируются и долгое время остаются источниками загрязнения окружающей среды. В период хозяйственного освоения они порой подпадают под застройку, выпасы и другие виды использования.

Сегодня свыше сорока процентов бытовых отходов составляют пищевые отходы. К ним периодически добавляются изъятые из продажи продукты питания с просроченным соком годности и отходы медицинских учреждений, подлежащие специальному уничтожению. Эта категория отходов привлекает к свалкам птиц, грызунов, хищников и домашних животных, бытовых насекомых, которые являются переносчиками опасных для человека эпидемиологических заболеваний.

Для решения данной проблемы правительство 4 декабря 2003 года приняло проект закона «Об отходах», основными принципами которого являются:

- не допущение образования отходов путем применения современных технологий;

- утилизации отходов до полного извлечения полезных свойств веществ;

- размещение отходов без причинения вреда здоровью населения и нанесения ущерба окружающей среде;

- соблюдение приоритета утилизации над их размещением;

- захоронение отходов.

В предложенном проекте предлагают как можно шире использовать международный опыт.

Например, в США мусороперерабатывающее и вторичное производство – не только стабильный, но и весьма прибыльный бизнес. К примеру, в Сиэтле более 70% бытовых отходов используют как вторичное сырье, а в Нью-Йорке этот показатель вообще составляет абсолютный рекорд – более 80%.

Во многих крупных городах России также уже разработаны и запущены малогабаритные мусороперерабатывающие заводы. После сортировки, измельчения, дробления и других операций бывший мусор перерабатывается в бумагу, картон, пластик и т.д. Вдобавок к этому, непосредственно на мусороперерабатывающем комплексе вырабатывается биогаз. Он вполне подходит в качестве горючего для выработки электрической и тепловой энергии.

То есть, если ТБО подвергать различным переработкам, то можно получать продукты вторичного производства, удобрения и другие продукты. На рисунке 1 представлен примерный состав ТБО [3].

Все материалы, входящие в экономику, должны рано или поздно выделяться снова в окружающей среде в виде отходов и выбросов. Следовательно, образование отходов – это «потеря природных ресурсов».

Непрерывный поток материалов через общества рассматривается как «промышленный метаболизм». Отходы являются одним из элементов этого метаболизма, более точно, они находятся в хвосте или на выходе системы. Количество и качество этого «промышленного метаболизма» является предметом обсуждений в отношении того, как им управлять более устойчивым образом.

Все отходы жизнедеятельности системы можно подразделить на две большие группы: 1) невостребованная часть целевой функциональной деятельности системы и 2) отходы жизнедеятельности подсистем, обеспечивающих структурную целостность деятельной системы. Минимизация количества отходов первой группы обеспечивается путем создания эффективной системы планирования и установления мобильных сетей обратной связи между функционально различными элементами трофической цепи. Количество отходов второй группы по способу их накопления не может быть уменьшено теми же методами. Указанные отходы подлежат различным процедурам захоронения, переработки и утилизации. Любой процесс гомогенизации отходов, например, смешивание различных по происхождению, химическому и фазовому составу, микро- и макроструктуре, перевод их в жидкое или газообразное состояние и т.п., приводит к разупорядочению системы – существенному повышению ее энтропии – и, следовательно, активирует деградационные процессы в эволюции системы.

Для эффективного обезвреживания отходов необходимы технологии, наносящие минимальный экологический ущерб окружающей природной среде, имеющие низкие капитальные затраты и позволяющие получать прибыль. Разнообразие отходов по химическому составу не позволяет создать универсальную технологию утилизации твердых и жидких ПО и ТБО.

В мировой практике для утилизации и обезвреживания ПО и ТБО используют термические, химические, биологические и физико-химические методы.

К термическим методам обезвреживания отходов относятся сжигание, газификация и пиролиз. Сжигание - наиболее отработанный и используемый способ. Этот метод осуществляется в печах различных конструкций при температурах не менее 1200⁰С. В результате сгорания органической части отходов образуются диоксид углерода, пары воды, оксиды азота и серы, аэрозоль, оксид углерода, бензопирен и диоксины. Зола, имеющая в своем составе неподвижную форму тяжелых металлов, накапливается в нижней части печи и периодически вывозится на полигоны для захоронения или используется в производстве цемента. Газификация - широко используемый в металлургии способ переработки некоксующихся углей - осуществляется в вихревых реакторах или печах с кипящим слоем при температурах 600-1100⁰С в атмосфере газифицирующего агента (воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода или их смесь). В результате реакции образуются синтез-газ (H₂, СО), туман из жидких смолистых веществ, бензопирена и диоксинов. Пиролиз - наиболее изученный процесс, широко используется для производства активированного угля из древесины.

Химические методы обезвреживания жидких и твердых нефтесодержащих отходов заключаются в добавлении к нейтрализуемой массе химических реагентов. В зависимости от типа химической реакции реагента, с загрязнением происходит осаждение, окисление-восстановление, замещение, комплексообразование. Объем отходов после химического метода уменьшается только в 2 раза.

Физико-химические методы образуют наиболее представительную группу методов обезвреживания ПО и ТБО. При создании физических полей в пористых средах начинают протекать одновременно множество физико-химических процессов. При наложении поля механических напряжений загрязненный грунт интенсивно перемешивается, и происходит очистка частиц грунта от поверхностных загрязнений. Гидродинамическое воздействие на грунт или почву сопровождается суффозией, выщелачиванием, адсорбцией, диффузией и выносом загрязнений из порового пространства грунтов.

Биологические методы обезвреживания ПО и ТБО находят все более широкое применение в России и, особенно, в странах дальнего зарубежья. Они основаны на способности различных штаммов микроорганизмов в процессе жизнедеятельности разлагать или усваивать в своей биомассе многие органические загрязнители.

Одним из способов биологической утилизации твердых бытовых отходов является компостирование. Для компостирования, то есть биотермической переработки легко гниющих веществ в органическое гумусообразное удобрение, необходимы три момента: сырьё, аэробные микробы и время. Способ основан на естественных, но ускоренных реакциях трансформации мусора при доступе кислорода в виде горячего воздуха. Биомасса ТБО в результате данных реакций в биотермической установке (барабане) превращается в компост. Однако для реализации этой технологической схемы исходный мусор должен быть очищен от крупногабаритных предметов, а также металлов, стекла, керамики, пластмассы, резины. Полученная фракция мусора загружается в биотермические барабаны, где выдерживается в течение двух суток с целью получения товарного продукта. После этого компостируемый мусор вновь очищается от черных и цветных металлов, доизмельчается и затем складируется для дальнейшего использования в качестве компоста в сельском хозяйстве или биотоплива в топливной энергетике. Биотермическое компостирование обычно проводится на заводах по механической переработке бытовых отходов и является составной частью технологической цепи этих заводов [4, 5].

Биотермические или аэробные методы обезвреживания твердых бытовых отходов (ТБО) происходят в результате жизнедеятельности микроорганизмов, использующих кислородную составляющую воздуха и органическое вещество ТБО с выделением значительного количества тепла. Основа процессов обезвреживания и обеззараживания ТБО с последующим применением их (компоста) в качестве органического удобрения или (биотоплива) состоит в доведении ТБО до полуразложившегося состояния (распад органического вещества составляет 15-25%). Процесс разложения экзотермический – температура достигает 60-70⁰С, что обеспечивает гибель микрофлоры, личинок мух и т.д. Данный метод переработки получил широкое распространение в развитых странах, так как он является наиболее экономичным, экологичным и достаточно эффективным. Полученный продукт – биогумус – представляет собой ценное органическое удобрение, хотя спектр его применения, на наш взгляд, можно расширить.

На кафедре «Биотехнология» ЮКГУ им. М Ауезова проводились работы по использованию продуктов биотехнологической переработки отходов для очистки нефтезагрязненных почв. Переработку отходов осуществляли в аэробных и анаэробных условиях по разработанной технологии. Продукты переработки отходов вносили в нефтезагрязненные почвы. Сроки очистки почвы зависели от степени загрязнения почвы нефтью, состава переработанных отходов и других факторов. В результате проведенных мероприятий по рекультивации нефтезагрязненных почв, содержание нефти на опытных участках снизилось, в среднем, до 0,01%. Таким образом, нами была доказана возможность использования продуктов биотехнологической переработки твердых бытовых и промышленных отходов для рекультивации нефтезагрязненных почв.

ЛИТЕРАТУРА

1. Игнатович Н.И., Рыбальский Н.Г. Что нужно знать о твердых бытовых отходах? М.: РЭФИА. 1995. 54 с.

2. Некрасов В.Г., Горзиб И.М. Твердые бытовые отходы и проблемы их утилизации. Промышленная энергетика, 1992, №2, с. 46-48.

3. Eccles Harry. Treatment of metalcontaminated wastes: Why select a biological process? Обработка содержащих металлы отходов: Почему избран биологический процесс? // Trends Biotechnol. – 1999 – 17, №12 С. 462-465.

4. Примкулулы К. Проблемы отходов производства и потребления // Экология и устойчивое развитие, № 4, 2004, С. 4-10.

5. Ткаченко С.И., Ларюшкин Е.П., Степанов Д.В. Использование процесса биоконверсии для энергетически эффективной переработки отходов. // Винниц. гос. техн. ун-т. – Винница, 1999 – 45 с.

6. Черп О.М. Проблема твердых бытовых отходов: Комплексный подход, М.: Эколайн, 2004. 75 с.