Утилизация и захоронение отходов

CoolReferat.com

Утилизация и захоронение  отходов.

Отходами называются продукты деятельности человека в быту, на транспорте, в промышленности, не используемые непосредственно в  местах своего образования и которые  могут быть реально или потенциально использованы как сырье в других отраслях хозяйства или в ходе регенерации. Отходами производства  являются остатки материалов, сырья, полуфабрикатов, образовавшихся в процессе изготовления продукции и утратившие полностью или частично свои полезные физические свойства. Отходами производства могут считаться продукты, образовавшиеся в результате физико-химической переработки сырья, добычи и обогащения полезных ископаемых, получение которых не является целью данного производства. Отходы потребления – непригодные для дальнейшего использования по прямому назначению и списанные в установленном порядке машины, инструменты, бытовые изделия.

По возможности использования, различаются утилизируемые и  неутилизируемые отходы. Для первых существует технология переработки  и вовлечения в хозяйственный оборот, для вторых в настоящее время отсутствует.

Методы хранения отходов промышленности

При разработке новых ресурсосберегающих и экологичных технологических  процессов, необходимо обезвреживание отходов на стадии вывода из технологического процесса, но при современном развитии науки и техники невозможно исключить образование неутилизируемых, не подлежащих сжиганию, не поддающихся нейтрализации токсичных отходов. В этом случае целесообразно захоронение отходов такого рода в специально создаваемых для этого хранилищах, где можно будет захоронить промышленные отходы для их использования в будущем.

 Для захоронения отходов  промышленности целесообразно использовать  резервуары в геологических формациях: гранит, вулканические породы, туфы, базальты, соляные толщи, гипс, ангидрит, доломит, глина, гнейсы. Такого рода хранилища могут существовать как  самостоятельно, так и совместно с горнодобывающими предприятиями на его шахтном поле.

При размещении отходов необходимо соблюдать ряд определенных условий и ограничений:

1. Водонепроницаемость толщ и наличие над и под ними обильных водоносных толщ;
2. Полное исключение возникновения деформаций, способных сделать толщу водопроводящей (сдвиг под действием собственной массы, динамические нагрузки, вызванные землетрясениями, газодинамическими явлениями, наземными взрывами и т.п.);
3. Размещение вдали от населенных пунктов, территорий возможных появлений наводнений, селей, прорыва дамб и плотин, оседание земной поверхности в результате горных работ;
4. Наличие способов и средств, позволяющих при необходимости оперативно и с полной гарантией навечно перекрыть выработки, через которые отходы будут подаваться в выработанные пространства.

Подземное захоронение отходов  может осуществляться на различных глубинах и гидродинамических зонах литосферы, согласно этому хранилища подразделяются:

• Неглубокие – В зоне аэрации и активного водообмена;
• Среднеглубокие – Ниже зоны активного водообмена, в пределах пластовых температур 50 – 70º С;
• Глубокие – на глубине свыше 2000 м.

Необходим учет мощности зоны аэрации  и фильтрационные свойства пород, интенсивность  экзогенных геологических процессов (карст, эрозия, оползень и др.), влияющих на герметичность хранилищ.

Существуют предложения по нетрадиционным способам создания подземных емкостей посредством энергии камуфлетного взрыва и ядерного взрыва.

В итоге: хранилище токсичных промышленных отходов – сложная геотехническая система, составными элементами которой  являются компоненты геологической  среды (массив горных пород, подземные воды) и наземно-подземные инженерные сооружения (выработки, скважины, коммуникации).

Хранение взрывоопасных отходов, представляющих некоторую ценность в будущем после создания технологий их переработки и использования, наиболее целесообразно в подземных хранилищах с повышенными мерами безопасности и возможной флегматизацией. Уничтожение взрывоопасных отходов связано со значительными затратами на обеспечение безопасности процесса. Требования к размещению хранилищ взрывоопасных отходов аналогичны общим защитным мероприятиям для хранения промышленных отходов. Воздействиями, инициирующими возможный их взрыв, являются механические удары, трение, высокие температуры, электрическая искра или блуждающие токи, химическая реакция между компонентами, близкий взрыв. Для предотвращения негативных последствий захоронения взрывоопасных отходов, помимо общих требований для изоляции промотходов из биосферы, необходимо:

1. Помещение взрывоопасных отходов в тару для предохранения от всех видов инициирующих воздействий;
2. Достаточное удаление от системы ЛЭП;
3. Использование качественной электропроводки для освещения подсобных помещений;
4. Предохранение от нежелательных химических реакций, в том числе путем низкой температуры хранения и уже упомянутой флегматизации;
5. Безопасные транспортировка, погрузки-разгрузки взрывоопасных отходов.

Наземные полигоны для хранения промышленных отходов являются и  должны использоваться в качестве временных, промежуточных пунктов на пути в хранилища. Согласно действующим положениям по проектированию и созданию наземных полигонов их размещение запрещено:

• Вблизи месторождений пресных подземных вод и их водо-охранных зон;
• Вблизи месторождений минеральных лечебных и промышленных вод;
• На территории зон охраны курортов
• На территории заповедников
• В пределах селитебных и рекреационных зон населенных пунктов.

Термическое обезвреживание токсичных  промышленных отходов

На современном этапе открывается  всё больше возможностей существенно  сократить количество не утилизируемых отходов, которые имеют сложный химический состав, и, как правило, их переработка в полезные продукты или весьма затруднительна современном этапе, или экономически нецелесообразна.

Жидкофазное окисление

Жидкофазное окисление токсичных отходов производства используется для обезвреживания жидких отходов и осадков сточных вод. Суть его заключается в окислении  кислородом органических и элементоорганических примесей сточных вод при температуре 150 – 350° С и при давлении 2 – 28 МПа.

Интенсивность окисления в жидкой фазе способствует высокая концентрация растворенного  в воде кислорода, значительно возрастающая при высоком давлении. В зависимости  от давления, температуры, количества примесей и кислорода, продолжительности  процесса органические вещества окисляются с образованием органических кислот (в основном CH₃COOH и HCOOH) или с образованием CO₂, H₂O и N₂.

Элементоорганические  соединения в щелочной среде окисляются с образованием водных растворов  хлоридов, бромидов, фосфатов, нитратов и оксидов металлов, а при окислении азотосодержащих веществ, помимо нитратов, образуется значительное количество аммонийного азота.

Для жидкоплазменного окисления требуется  меньше энергетических затрат, чем  другие методы, но является более дорогостоящим, кроме этого к недостаткам метода относится высокая коррозионность процесса, образование накипи на поверхности нагрева, неполное окисление некоторых веществ, невозможность окисления сточных вод с высокой теплотой сгорания.

Применение  метода целесообразно при первичной переработке отходов.

Гетерогенный катализ

Гетерогенный  катализ применим для обезвреживания газообразных и жидких отходов. Существуют три разновидности гетерогенного  катализа промышленных отходов.

Термокаталитическое окисление можно использовать для обезвреживания газообразных отходов с низким содержанием горючих примесей. Процесс окисления на катализаторах осуществляется при температурах меньших, чем температура самовоспламенения горючих составляющих газа. В зависимости от природы примесей и активности катализаторов окисление происходит при температуре 250 - 400° С и в установках различных размеров.

В термокаталитических реакторах  успешно окисляются CO, H₂, углеводороды (УВ), NH₃, фенолы, альдегиды, кетоны, пары смол, канцерогенные и др. соединения с образованием CO₂, H₂O, N₂. Степень окисления вредных веществ 98 – 99.9 %. Для увеличения удельной поверхности катализации используется пористые керамические устройства из Al₂O₃ и оксидов других металлов, тоже обладающих каталитической активностью.

Современные промышленные катализаторы глубокого  окисления при температуре до 600 – 800° С не следует применять  при большом содержании пыли и  водяных паров. Неприменим метод  и для  переработки отходов, содержащих высококипящие и высокомолекулярные соединения, вследствие неполноты окисления и забивания поверхности катализаторов. Нельзя применять термокаталитическое окисление при наличии в отходах даже в небольших количествах P, Pb, As, Hg, S, галогенов и их соединений, так как это приводит к дезактивации и разрушению катализаторов.

Термокаталитическое восстановление используется для обезвреживания газообразных отходов, включающих в себя нитрозные газы – содержащие NO_X.

Профазное каталитическое окисление применимо для перевода органических примесей сточных вод в парогазовую фазу с последующим окислением кислородом. При содержании в сточных водах неорганических и нелетучих веществ возможно дополнение данного процесса огневым методом или другими видами обезвреживания отходов.

В целом методы гетерогенного катализа нецелесообразно использовать в качестве самостоятельного способа обезвреживания токсичных отходов, а только как отдельную ступень в общем, технологическом цикле.

Пиролиз промышленных отходов

Существует  два различных типа пиролиза токсичных  промышленных отходов.

Окислительный пиролиз – процесс термического разложения промышленных отходов при их частичном сжигании или непосредственном контакте с продуктами сгорания топлива. Данный метод применим для обезвреживания многих отходов, в том числе «неудобных» для сжигания или газификации: вязких, пастообразных отходов, влажных осадков, пластмасс, шламов с большим содержанием золы, загрязненную мазутом, маслами и другими соединениями землю, сильно пылящих отходов. Кроме этого, окислительному пиролизу могут подвергаться отходы, содержащие металлы и их соли, которые плавятся и возгарают при нормальных температурах сжигания, отработанные шины, кабели в измельченном состоянии, автомобильный скрап и др.[4] .

Метод окислительного пиролиза является перспективным направлением ликвидации твердых промышленных отходов и сточных вод.

Сухой пиролиз – процесс термического разложения без доступа кислорода. В результате образуется пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкий продукт и твердый углеродистый остаток.

Этот метод термической  обработки отходов обеспечивает их высокоэффективное обезвреживание и использование в качестве топлива  и химического сырья, что способствует созданию малоотходных и безотходных  технологий и рациональному использованию  природных ресурсов.

В зависимости от температуры, при которой протекает пиролиз, различается:

1. Низкотемпературный пиролиз или полукоксование (450 - 550° С). Данному виду пиролиза характерны максимальный выход жидких и твердых (полукокс) остатков и минимальный выход пиролизного газа с максимальной теплотой сгорания. Метод подходит для получения первичной смолы – ценного жидкого топлива, и для переработки некондиционного каучука в мономеры, являющиеся сырьем для вторичного создания каучука. Полукокс можно использовать в качестве энергетического и бытового топлива.
2. Среднетемпературный пиролиз или среднетемпературное коксование (до 800° С) дает выход большего количества газа с меньшей теплотой сгорания и меньшего количества жидкого остатка и кокса.
3. Высокотемпературный пиролиз или коксование (900 - 1050° С). Здесь наблюдается минимальный выход жидких и твердых продуктов и максимальная выработка газа с минимальной теплотой сгорания – высококачественного горючего, годного для далеких транспортировок. В результате уменьшается количество смолы и содержание в ней ценных легких фракций.

Метод сухого пиролиза получает все  большее распространение и является одним из самых перспективных способов утилизации твердых органических отходов и выделении ценных компонентов из них на современном этапе развития науки и техники.

В основу огневого метода положен  процесс высокотемпературного разложения и окисления токсичных компонентов отходов с образованием практически нетоксичных или малотоксичных дымовых газов и золы. С использованием данного метода возможно получение ценных продуктов: отбеливающей земли, активированного угля, извести, соды и  др.  материалов.  В  зависимости  от  химического  состава  отходов  дымовые  газы могут содержать SO_Х, P, N₂, H₂SO₄, HCl, соли щелочных и щелочноземельных элементов, инертные газы.

Огневой метод переработки токсичных  промышленных отходов классифицируется в зависимости от типа отходов и способам обезвреживания:

1. Сжигание отходов, способных гореть самостоятельно – наиболее простой способ; горение происходит при температурах не ниже 1200 - 1300° С. (следует отметить, что данный способ не является целесообразным ввиду некоторой (большей или меньшей) ценности горючих отходов и возможности их использования в данное время или в будущем).
2. Огневой окислительный метод обезвреживания негорючих отходов – сложный физико-химический процесс, состоящий из различных физических и химических стадий. Огневое окисление применимо в большей степени по отношению к твердым и пастообразным отходам.
3. Огневой восстановительный метод используется для уничтожения токсичных отходов без получения каких-либо побочных продуктов, пригодных для дальнейшего использования в качестве сырья или товарных продуктов. В результате образуются безвредные дымовые газы и стерильный шлак, сбрасываемый в отвал. Так можно обезвреживать газообразные и твердые выбросы, бытовые отходы и некоторые другие.
4. Огневая регенерация предназначена для извлечения из отходов какого-либо производства реагентов, используемых в этом производстве, или восстановления свойств отработанных реагентов или материалов. Эта разновидность огневого обезвреживания обеспечивает не только природоохранные, но и ресурсосберегающие цели.

Для достижения требуемой санитарно-гигиенической  полноты обезвреживания отходов  необходимо, как правило, экспериментальное  определение оптимальных температур, продолжительности процесса, коэффициента избытка кислорода в камере горения, равномерности подачи отходов, топлива и кислорода. Протекание процесса обезвреживания в неоптимальных условиях приводит к появлению компонентов в продуктах сгорания и, в первую очередь, в дымовых газах.

При сжигании на свалках пластмасс, синтетических волокон, хлороуглеводородов в дымовых газах могут образовываться токсичные вещества: CO, бенз-а-пирен, фосген, диоксины.

Огневое обезвреживание (чисто термическое  или с применением катализаторов) промышленных отходов  приводит к  уничтожению органических веществ, которые могли бы явиться ценным сырьем целевых продуктов.

Для получения высокой степени  разложения токсичных отходов, особенно галоидосодержащих, конструкция сжигающей  печи должна обеспечивать необходимую продолжительность пребывания в  зоне горения, тщательное смешение при определенной температуре исходных реагентов с кислородом, количество которого также регулируется. Для подавления образования галогенов и полного их перевода в галогеноводороды  необходим избыток воды и минимум кислорода, последнее вызывает образование большого количества сажи. При разложении хлорорганических продуктов снижение температуры ведет к образованию высокотоксичных и устойчивых веществ – диоксинов. Недостатки огневого сжигания стимулировали поиск эффективных технологий обезвреживания токсических отходов.

Применение низкотемпературной плазмы – одно из перспективных направлений  в области утилизации опасных  отходов. Посредством плазмы достигается  высокая степень обезвреживания отходов химической промышленности, в том числе галлоидосодержащих органических соединений, медицинских учреждений; ведется переработка твердых, пастообразных, жидких, газообразных; органических и неорганических; слаборадиоактивных; бытовых; канцерогенных веществ, на которые установлены жесткие нормы ПДК в воздухе, воде, почве и др.

Плазменный метод может использоваться для обезвреживания отходов двумя  путями:

• Плазмохимическая ликвидация особо опасных высокотоксичных отходов;
• Плазмохимическая переработка отходов с целью получения товарной продукции.

Наиболее эффективен плазменный метод  при деструкции углеводородов с  образованием CO, CO₂, H₂, CH₄. Безрасходный плазменный нагрев твердых и жидких углеводородов приводит к образованию ценного газового полуфабриката в основном водорода и оксида углерода – синтез-газ – и расплавов смеси шлаков, не представляющих вреда окружающей среде при захоронении в землю, а синтез-газ можно использовать в качестве источника пара на ТЭС или производстве метанола, искусственного жидкого топлива. Кроме этого, путем пиролиза отходов возможно получение хлористого и фтористого водорода, хлористых и фтористых УВ, этанола, ацетилена. Степень разложения в плазмотроне таких особо токсичных веществ как полихлорбифенилы, метилбромид, фенилртутьацетат, хлор- и фторсодержащие пестициды, полиароматические красители достигает 99.9998 % с образованием CO₂, H₂O, HCl, HF, P₄O₁₀.

Разложение отходов происходит по следующим технологическим схемам:

• Конверсия отходов в воздушной среде;
• Конверсия отходов в водной среде;
• Конверсия отходов в паро-воздушной среде;
• Пиролиз отходов при малых концентрациях.

Выбор того или иного способа  переработки, возможность вариаций по количественному соотношению  реагентов позволяют оптимизировать работу установки для широкого спектра отходов по их химическому составу.

Существуют самые разнообразные  модификации плазмотронных установок, принцип их конструкции и порядка  работы заключается в следующем:  основной технологический процесс  происходит в камере, внутри которой находятся два электрода (катод и анод), обычно из меди, иногда полые. В камеру под определенным давлением, в заранее установленных количествах поступают отходы, кислород и топливо, может добавляться водяной пар. В камере поддерживается постоянное давление и температура. Возможно применение катализаторов. Существует анаэробный вариант работы установки. При переработке отходов плазменным методом в восстановительной среде возможно получение ценных товарных продуктов: например, из жидких хлорорганических отходов можно получать ацетилен, этилен, HCl и продуктов на их основе. В водородном плазмотроне, обрабатывая фторхлорорганические  отходы, можно получить газы, содержащие 95 – 98 % по массе HCl и HF.

 Для удобства возможно брикетирование  твердых отходов и нагрев пастообразных до жидкого состояния.

Переработка горючих радиоактивных  отходов была разработана технология с использованием  энергии  плазменных  струй  воздуха  с  введенным  активированным углеводородным сырьем, чистые, или  содержащим галениды. Такой способ получил широкое применение при сжигании органических отходов низкой и средней активности, что позволяет перевести опасные отходы в инертную форму и уменьшить их объем в несколько раз; образуется коксовый остаток и негорючие материалы – шлак, относящийся к категории кислых и улавливающий до 98 % радионуклидов (¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ³⁷Fe, ⁶⁰Co).

Высокая энергоемкость и сложность  процесса предопределяет его применение для переработки только отходов, огневое обезвреживание которых  не удовлетворяет экологическим требованиям.

Подводя итог всему вышесказанному, можно сказать, что, несмотря на длительность изучения настоящей проблемы, утилизация и  переработка  отходов  промышленности  по-прежнему не ведется на должном  уровне.

Острота проблемы, несмотря на достаточное количество путей решения, определяется увеличением уровня образования и накопления промышленных отходов. Усилия зарубежных стран направлены, прежде всего, на предупреждение и минимизацию образования отходов, а затем на их рециркуляцию, вторичное использование и разработку эффективных методов окончательной переработки, обезвреживания и окончательного удаления, а захоронения только отходов, не загрязняющих окружающую среду. Все эти мероприятия, бесспорно, уменьшают уровень негативного  воздействия отходов промышленности на природу, но не решают проблему прогрессирующего их накопления в окружающей среде и, следовательно, нарастающей опасности проникновения в биосферу вредных веществ под влиянием техногенных и природных процессов. Разнообразие продукции, которая при современном развитии науки и техники может быть безотходно получена и потреблена, весьма ограничено, достижимо лишь на ряде технологических цепей и только высокорентабельными отраслями и производственными объединениями.

Несмотря на длительную ориентацию промышленности нашей страны на ресурсосберегающие технологии, отображало это скорее экономические цели производства, нежели предотвращение вредного воздействия на природу. В СССР на уровне Госснаба была разработана система сбора вторичных ресурсов: макулатуры, текстиля, пиломатериалов, битого стекла, пищевой кости, металлолома и др. – главным образом бытовых отходов.

Ранее считавшееся перспективным  способом снижения загрязнения окружающей среды сжигание токсичных бытовых  и промышленных отходов, при котором исключение загрязнения окружающей среды высокотоксичными веществами, возможно только на крайне специальных дорогостоящих заводах, не окупающих в результате своей деятельности затраты на строительство и эксплуатацию. Движение к минимизации негативного воздействия промышленных отходов на окружающую среду следует осуществлять по двум магистральным направлениям:

• Технологическое – повышение экологической безопасности производства;
• Экозащитное – стабилизация и изоляция опасных отходов от природной среды.

Многостороннее и глубокое решение  проблемы утилизации и переработки  промышленных отходов – длительный и кропотливый процесс, которым  предстоит заниматься ряду поколений  ученых, инженеров, техников, экологов, экономистов, рабочих разного профиля и многих других специалистов.