Утилизация и переработка отходов сегодня

Существует большое количество способов утилизации отходов, как вредных, так и безопасных для экологии, рациональных и нерациональных с точки зрения экономики. Вредные для экологии и нерациональные способы - это сжигание и захоронение потенциального вторичного сырья на полигонах (может называться анаэробной переработкой биоразлагаемой массы). Общий термин, обозначающий безопасные для экологии и рациональные для экономики способы, называется переработкой отходов.

Стоит отметить, что приведённые ниже технологии предусмотрены для неразделённого мусора. Если собирается разделенный населением мусор, то он сразу превращается во вторсырьё, минуя стадию “смешения” и не портится так, как смесь различных компонентов, в том числе и опасных. Поэтому разделённый мусор можно сразу доставлять на завод по переработке вторичного сырья или производству новых товаров. Остановимся на переработке неразделённого мусора подробнее.

Переработка отходов - деятельность, связанная с выполнением технологических процессов по обращению с отходами для обеспечения повторного использования в народном хозяйстве полученных сырья, энергии, изделий и материалов[2]. Переработке подвергаются так называемые твёрдые бытовые отходы (ТБО), промышленные и строительные отходы. ТБО - это всё, что образуется в быту в результате жизнедеятельности людей, например, использованные пластиковые или стеклянные бутылки, консервные банки, а также органические отходы. Они имеют малую плотность, способность к загниванию и неоднородный состав.

Переработкой отходов занимаются мусороперерабатывающие заводы (МПЗ).

Существует много различных технологий по переработке мусора и получения вторичного сырья. Их условно можно разделить на две группы: биологические и термические.

Биологические способы переработки отходов: биотермическая (аэробная ферментация), гидросепарация и другие. Стоит отметить, что разновидностей биологических технологий и методов очень много, но общей их чертой является выделение и переработка с помощью живых микроорганизмов органической части отходов, которая составляет около 76% (пищевые отходы + бумага и картон) от массы ТБО. Рассмотрим затратность, экологический и экономический эффекты двух основных технологий: биотермической переработки и гидросепарации подробнее.

Биотермическая технология переработки ТБО - это процесс разложения биологической части отходов с помощью бактерий и с доступом кислорода. В таких установках ТБО перерабатываются с помощью различных сепараторов, происходит непрерывное разделение отходов, ускоряемое гидролизом и пиролизом. Гидролиз - это разложение с помощью воды, а пиролиз - разложение путём нагревания. Эта технология предусматривает получение из 1 тонны ТБО 112,5 кг этанола, 63 кг жидкого топлива и 225 кг метана, а также фракции чёрных и цветных металлов, которые могут быть проданы и использованы в различных производствах. Стоимость такого завода 2,48 млн. долларов, срок окупаемости - 3 года [11]. Конечно, такая технология позволяет вовлечь перерабатываемые отходы во вторичное производство, но она не предусматривает извлечение опасных веществ и тяжёлых металлов, что может снизить её производительность. Этот недостаток устраняется, если предварительно отделять опасные вещества от остальных отходов. Также следует отметить, что чем мельче фракции от дробления ТБО, тем большую долю можно использовать вторично [11]. Поэтому такая технология вполне пригодна для использования и при соблюдении всех норм безопасна для экологии.

Метод гидросепарации - ещё один биологический метод, в основу которого заложено разделение и переработка органической части отходов, получение биогаза и компоста, с помощью воды: мусор поступает в цех с проточной водой - тяжёлый металл идёт на дно, извлекается оттуда и отправляется на перерабатывающий завод. Сверху остаются лёгкие фракции, такие как пластик, которые тоже сортируются и отправляются на переработку. Утилизируется до 85% отходов. Стоимость переработки одной тонны этим методом - 15-16 тысяч рублей [12], которая окупается за счёт продажи вторсырья, компоста и обеспечения завода энергией за счёт разложения сортированной органики в процессе ферментации, где и используются живые микроорганизмы. Что касается содержания тяжелых металлов в компосте, то, по словам А. Лопатухина, представителя компании Alecon, которая и продаёт эту технологию, опасные отходы отбираются на начальной стадии вручную, а вода, использовавшаяся для отделения мусора, проходит многоступенчатую очистку. Возникает естественный вопрос: куда потом денут фильтрат, то есть, то, что осталось в фильтрах после очистки воды. Однако есть и противоположные мнения об этом методе. Например, опубликована статья[3], содержащая мнение о том, что тяжелые металлы, которые отделяются на самой первой стадии приёма, невозможно исключить полностью из отходов, однако, по словам А. Лопатухина производимый его компанией компост отвечает австралийским и европейским требованиям. Кроме того, ставится вопрос о качестве бумаги и картона как потенциального вторсырья. Также сам А. Лопатухин признаёт, что содержание метана в биогазе - около 70%, что говорит о низком его качестве (для сравнения, в природном газе содержится около 90% метана). Мусороперерабатывающий завод, использующий такой метод, полностью окупается в течение 4-5 лет и в дальнейшем дает прибыль[4].

Анализ большого числа источников показал, что о методе гидросепарации больше положительных отзывов, чем отрицательных. К тому же этот метод экономически эффективен, и существуют технологии на его основе, например, механобиологическая переработка немецкой компании Hese GMBH, которая позволяет переработать до 90% отходов.

Термические способы переработки отходов: пиролиз, газификация, и другие. Их можно отнести к методам сжигания, но в своей работе я буду называть термином “сжигание отходов” классическую и несложную технологию, которая предусматривает сжигание отходов и захоронение остатков от них без попыток извлечь из них вторсырьё. Рассмотрим три технологии.

Пиролиз - процесс термического разложения отходов, происходящий без доступа кислорода. Существует высокотемпературный и низкотемпературный пиролиз. Особенность процесса в том, что отходы, попадая в реактор, нагреваются без доступа кислорода, отдавая большое количество тепла и превращаясь в субстанцию, из которой можно извлечь ценное химическое сырьё, например, кокс и различные смолы. Газы, выделяемые при пиролизе, проходят специальную многоступенчатую очистку, например, суспензией известкового молока. Стоимость переработки одной тонны ТБО - 1300-1400 рублей [1]. Срок окупаемости - 18-23 месяцев на 22.10.2016. Однако, несмотря на эффективность и окупаемость, эта технология не способна качественно переработать неразделённые отходы, образуя при этом бесполезный зольный шлак. Полезный результат такой обработки - только выделившееся тепло и электроэнергия. Однако стоит отметить, что такой способ сильно уменьшает объём перерабатываемого мусора и делает его экологически безопасным, пригодным для хранения и строительства. Есть и такой факт: низкий спрос на продукты переработки, технологические трудности в работе оборудования и его небольшая надежность привели к закрытию более 80% построенных на основе пиролиза производств по переработке ТБО [1].

Газификация – это воздействие высоких температур на отходы с использованием кислорода, водяного пара, диоксида углерода и их смеси, одна из разновидностей пиролиза. Разберём газификацию, происходящую с помощью плазмы. Плазменная газификация – это воздействие плазмы на отходы, образованной с помощью плазмотрона, которая подвергает их расплаву и распаду на простые химические элементы с доступом кислорода. Это происходит в специальной камере с помощью электрической дуги плазмотрона. Отходы предварительно проходят пиролиз, и сама плазма делается из пиролизного газа с помощью плазмотрона. Затем она попадает на органические отходы, расплавляет их, в результате чего органическая часть превращается в газ, а неорганическая - в стекловидный расплав. Образованные газы проходят очистку. Стоимость плазменной переработки 1 тонны отходов составляет 1800-2300 рублей [1]. Она даёт тепло, которое можно использовать для отопления, синтез-газ, а из образованного стекловидного шлака можно также извлечь полезную продукцию и реализовать её, поэтому срок окупаемости этой технологии - от 2,5 до 5 лет. Недостаток этой технологии - ненадёжность плазмотронов, большой расход электричества, повышенная концентрация возгонов тяжёлых металлов в отходящих газах, что усложняет его очистку [1].

Для мест термической обработки отходов и сжигания существует специальное название – мусоросжигательные заводы (МСЗ). У них существует много названий, но это основное. Их часто используют как в России, так и за рубежом для выработки электроэнергии, показанные технологии продемонстрировали эту возможность.

В качестве вывода по всем перечисленным технологиям, следует сказать, что они, в целом, довольно эффективны и экологически безопасны, но некоторые дороги и долго окупаются. Понятно, что нет идеальной технологии, и не следует делать какую - нибудь из них панацеей, как это любят местные власти. Теперь перейдём к экологически вредным и нерациональным способам утилизации.

Начнём с одного из самых распространённых в России способов - захоронения на полигонах. Стоит отличать полигон от свалки: полигон - это технически оборудованное место захоронения отходов, а свалка - это необорудованное место нахождения отходов. Способ захоронения на полигонах позволяет на время забыть о мусоре, а при определённых условиях получить биогаз, образующийся при разложении органической части отходов, в состав которого входит метан. Современные полигоны предусматривают наличие водонепроницаемого слоя, который не даст влаге с массы отходов попасть в подземные воды (см. Приложение №1), а также слоя сверху, однако если работает старый полигон, то это представляет серьёзную угрозу экологии. Самый опасный и неприятный элемент полигона - это фильтрат, то есть жидкость, которая образуется в процессе разложения отходов. Следует отметить, что он может содержать тяжёлые металлы, такие как ртуть, свинец, литий, кадмий, медь и т.д., ведь на полигоны вывозятся вместе с мусором батарейки, люминесцентные лампы и другие опасные предметы. Кроме того, фильтрат содержит нитраты и другие подобные соединения. Если на полигоне нет защиты сверху, и не собирается биогаз, то образованный метан и углекислый газ выделяются в атмосферу, загрязняя её. Также полигон, при нарушениях установленных норм при его постройке, как и свалка, служит местом обитания большого количества патогенных организмов, вызывающих заболевания. В настоящее время при строительстве полигона учитывается его опасность для экологии на законодательном уровне. Тариф на захоронение ТБО на таких полигонах колеблется от 200 до 700 рублей.

После накопления мусора, что происходит 15-20 лет, полигон работает в течение десятилетий как биологический реактор до тех пор, пока захоронённая масса не придёт в нейтральное состояние. После этого возможна рекультивация земель, на которых располагался полигон [1]. Это главный и существенный минус такого метода - выпадение большого количества земли из хозяйственного оборота на десятилетия. Кроме того, очевидно, что рекультивация земель будет стоить очень дорого (только если разбирать сооружения и обеззараживать землю), а земля после полигона может быть загрязнена и непригодна для использования в сельском хозяйстве.

Теперь речь пойдёт о таком способе утилизации, как сжигание.

В данной работе под термином “сжигание” понимается технология сжигания мусора на колосниковой решётке в слоевой печи, то есть неподготовленный мусор забрасывают в печь и сжигают при температуре 850 - 1100 °C. Здесь мусор может служит топливом, заменителем газа и мазута. В результате сжигания образуются так называемые шлако-зольные отходы (ШЗО), которые представляют собой продукт сгорания ТБО и могут быть применены в промышленности как вторичное сырьё. По мнению А.Ф. Малышевского [1] сжигание не приносит вреда экологии, хотя он не отрицает выделения загрязняющих веществ, которые может улавливать очистное сооружение. Также А.Ф. Малышевский в своём докладе считает, что это наиболее выгодный и рациональный способ утилизации отходов, так как он позволяет воспользоваться выделенной тепловой энергией для обогрева, но из доклада не понятно, покрывает ли выделенная энергия тепло, потраченное на нагревание и сжигание мусора. Также установка очистных сооружений составляет 30 % от стоимости всего МСЗ. Стоимость постройки такого завода очень высока и составляет примерно 150 млн долларов^[5], а стоимость переработки 1 тонны отходов: 1300 - 1500 рублей [1]. Также, в докладе К.Д. Бельямовского отмечается, что для улучшения качества переработки путём сжигания следует установить дробилку крупногабаритных отходов и обеспечить раздельный сбор золы и шлака, а А.Ф. Малышевский в своём докладе, наоборот, говорит, что отходы можно сжигать и без дорогостоящей дробилки. Это показывает противоречие в отношении к технологии сжигания, хотя К.Д. Бельямовский считает. что в больших городах требуется термическая обработка отходов. Мусоросжигание позволяет уменьшить объем отходов в 10-20 раз, а массу – в 3-4 раза [1]. Более подробно про экономическую составляющую технологий сжигания, плазменной переработки, компостирования и других можно посмотреть в приложении 3.

Но последствия сжигания для экологии таковы: относительно общесанитарного показателя вредности эти концентрации превышают нормативы по меди в 200 - 300 раз, по цинку и свинцу в 80 -100 раз, по ванадию в 1,3 - 6,7 раза. В сточных водах МСЗ после промывки шлака установлены превышения ПДК (предельно допустимых концентраций) для хозяйственно - бытовой канализации концентрациями криптона, никеля, меди, нефтепродуктов, фенолов, диоксида азота, хлора и сульфат - иона[11]. Эти факты приведены после исследования Мурманского МСЗ, построенного в советские времена. Цинк, свинец и другие приведённые здесь металлы - это тяжёлые металлы, которые накапливаются в организме живых существ и отравляют их. Отходящие газы также содержат опасные диоксины и фураны. Об их вреде можно посмотреть в приложении.

В качестве вывода к этой части, следует сказать, что мусор имеет длительную историю и человечество в разные времена решало проблему по- разному, но переработка мусора, как отрасль, зародилась не так давно - в 20 веке, в Европе. Существует большое количество самых различных технологий, но эффективность и безопасность их применения зависит от ответственности и сознательности тех, кто их применяет. Отдельно следует отметить раздельный сбор мусора, ведь он увеличивает извлекаемую прибыль, уменьшает вред для экологии и не требует всех перечисленных выше технологий. Однако стоит отметить, что этот процесс может быть налажен только при взаимной инициативе всех участвующих в нём агентов в течение длительного времени (около 15 лет) [1].

Аналитическая часть