Маловідходна та безвідходна технологія виробництва
Знешкодження твердих відходів
5.1. 3.3. Проблеми відходів людської діяльності
Відходи виробництва – це залишки сировини, матеріалів і напівфабрикатів, що утворюються в процесі виробництва, частково або повністю втратили свою якість і не відповідають стандартам виробництва.
Виробник відходів – фізична або юридична особа, чия діяльність зумовлює утворення відходів.
Причиною утворення відходів є переважно господарська діяльність людини, внаслідок якої порушені складні взаємозв’язки між компонентами біосфери, що здійснюються в рамках колообігу хімічних елементів та обміну енергією, і формувалися впродовж тривалого часу.
Цікаві цифри
Судячи з наведених нижче цифр, зрозуміло чому В.Вернадський назвав людську діяльність геологічною силою.
Нині людина
- використовує 13% річкових вод, повертаючи їх у довкілля у вигляді стічних вод;
- вирубує щороку 20 млн. га лісів;
- видобуває з надр і піднімає на поверхню близько 100 млрд. т мінеральних руд;
- виплавляє понад 800 млн. т різних металів;
- спалює 7 млрд. т у.п.;
- вносить на поля понад 500 млн. т добрив і 4 млн. м пестицидів, значна частина яких розсіюється у довкіллі і через високу стійкість накопичується по ланцюгах живлення.
Найбільшими постачальниками відходів є гірничодобувний і гірничо-збагачувальний комплекси, металургійна, хімічна та енергетична галузі промисловості.
У результаті спалювання кам’яного вугілля із золою та димовими газами у довкілля потрапляє окремих хімічних елементів більше, ніж видобувається з надр:
- • магнію – у 1,5 раза;
- • урану і титану – у 10 разів;
- • меркурію – у 50 разів;
• літію, ванадію, стронцію,
цирконію – у сотні разів;
•….. германію і галію – у тисячі разів.
Щороку кородує 10-25% виплавленого заліза.
Дані про відходи різних галузей народного господарства України наведені в табл. 8.1.
Таблиця 8.1.. Утворення і використання відходів окремих видів виробництва в Україні за 1987-1992 рр.
Показник, одиниці вимірювання |
Роки |
|||||
1987 |
1988 |
1989 |
1990 |
1991 |
1992 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Породи розкривні і супутні для будівництва гідроспоруд та інших робіт |
||||||
Утворилося, млн. м3 |
66,3 |
70,4 |
66,5 |
60,0 |
60,2 |
42,6 |
Використано, млн. м3 |
19,2 |
22,3 |
18,0 |
14,9 |
23,9 |
22,6 |
Частка використання, % |
28,9 |
31,7 |
27,1 |
24,8 |
39,7 |
53,0 |
Глини бентонітові для одержання керамзиту |
||||||
Утворилося, млн. м3 |
1783,1 |
1618,4 |
1738,2 |
1793,1 |
1707,2 |
1618,1 |
Використано, млн. м3 |
1386,3 |
1470,2 |
1622,3 |
1508,0 |
1394,6 |
1420,3 |
Частка використання, % |
77,7 |
90,8 |
93,3 |
84,1 |
81,7 |
87,8 |
Відходи вугледобування і вуглезбагачення |
||||||
Утворилося, млн. м3 |
135,2 |
181,1 |
124,6 |
123,1 |
103,6 |
135,1 |
Використано, млн. м3 |
10,1 |
13,3 |
13,1 |
10,6 |
9,1 |
9,6 |
Частка використання, % |
7,4 |
7,1 |
10,5 |
8,6 |
8,8 |
6,7 |
Шлаки сталеплавильного виробництва |
||||||
Утворилося, млн. м3 |
8408,7 |
8701,7 |
7827,7 |
7594,8 |
6930,1 |
7184,8 |
Використано, млн. м3 |
5661,8 |
7215,8 |
7624,5 |
5515,4 |
6422,4 |
4486,3 |
Частка використання, % |
67,3 |
82,9 |
97,4 |
72,6 |
92,7 |
64,4 |
Зола і золошлакові відходи |
||||||
Утворилося, млн. м3 |
15202,7 |
13505,6 |
13341,6 |
12219,9 |
12219,6 |
13896,2 |
Використано, млн. м3 |
4636,4 |
4974,9 |
4507,9 |
3400,5 |
2835,2 |
2879,2 |
Частка використання, % |
30,5 |
36,8 |
33,8 |
27,8 |
22,5 |
20,7 |
На підприємствах країни протягом 2007р. утворилось 2,6 млн.т відходів I-III класів небезпеки, що на 214,3 тис.т більше порівняно з 2006р. Основна частина утворених відходів (2,1 млн.т, або 81% від загального обсягу) належить до III класу небезпеки. Відходи І та II класів небезпеки склали відповідно 12,8 тис.т та 430,7 тис.т.
Із загальної кількості утворених відходів 990,6 тис.т (38%) розміщено у місцях видалення, а саме: на полігонах, у спеціально відведених комплексах, спорудах, ділянках надр.
Частка відходів, що були повністю використані для одержання тієї чи іншої продукції, або знешкоджені, у загальному обсязі утворених склала 41% (у 2006р. вона становила 38%, а у 2000р. – 53%). Найбільш гострою залишається проблема знешкодження та утилізації небезпечних відходів у Автономній Республіці Крим, Житомирській, Запорізькій, Харківській, Черкаській областях та М.Севастополі, де частка оброблених та перероблених відходів становила менше 10% від загальної кількості утворених. А в Донецькій, Кіровоградській, Одеській, Хмельницькій та Чернівецькій областях частка відходів, що були використані або знешкоджені, у загальному обсязі утворених відходів не перевищує 20%, що вдвічі менше, ніж у середньому по країні.
Станом на 1 січня 2008р. у місцях видалення відходів та на території підприємств країни накопичилось 20,1 млн.т небезпечних відходів, з них 36,2 тис.т (0,2% до загальної кількості) належать до І класу небезпеки і 2,1 млн.т (10%) – до II класу небезпеки.
На території шести регіонів країни зберігається 95% відходів, що належать до І-Ш класів небезпеки, зокрема, в Запорізькій (39%, або 7,8 млн.т), Донецькій (31%, або 6,2 млн.т), Сумській (9%, або 1,8 млн.т), Дніпропетровській і Луганській (по 5%, або 0,9 млн.т) областях та в Автономній Республіці Крим (7%, або 1,3 млн.т). Понад 70% відходів І класу небезпеки знаходяться у місцях видалення в Івано-Франківській та Луганській областях.
У загальній кількості відходів, що зберігаються у місцях видалення та на території підприємств, найбільшу питому вагу становлять відходи, що містять метали та їхні сполуки (10429,7 тис.т, або 52% до загального обсягу), відходи, що містять неметали та їхні сполуки (5350,2 тис.т, або 27%), відходи, що містять корозійні речовини (1548,0 тис.т, або 8%), відходи виробництва і застосування органічної хімії, або відходи, що містять інші органічні сполуки (535,9 тис.т, або 3%), відпрацьовані нафтопродукти, нафтошлами та нафтовідходи (468,2 тис.т, або 2%).
Крім того, надзвичайно небезпечними є відходи, що містять гексахлорбензол (11,1 тис.т), та відходи пестицидів і агрохімікатів, непридатні чи заборонені пестициди (7,9 тис.т).
Динаміку плказників щодо утворення, утилізацію, знешкодження, поводження з відходами, наявності та розміщення твердих побутових відходів на полігонах та звалищах наведено у додатку.
Під час добування та переробки металевих руд з них вилучають переважно один компонент, вміст якого коливається в широких межах (у залізній руді концентрація феруму досягає 60%, тоді як уранові руди мають промислове значення за вмістом урану лише 0,1%), а решта добутої руди – відходи, що скидаються у відвали. Зокрема, на 1 т металу припадає така кількість відходів, т:
заліза – 1
міді – 200
молібдену і вольфраму – до 2000.
За даними Міністерства охорони природного середовища, відвали в Україні займають площу близько 55 тис. га, в яких зосереджено понад 20 млрд. т промислових відходів. Багато з них містять цінні компоненти (у відходах гальванічних, радіотехнічних, електроннотехнічних виробництв вміст окремих металів вищий, ніж у сировині; крім того, покладів їх в Україні немає), тому ці метали доцільно вилучатиі повторно використовувати (у відходах Черкаського заводу “Хімреактив” міститься 18-65% нікелю, в шлаках Черкаського БО “Хімволокно” – 4% цинку).
Гірничорудна промисловість України використовує лише 12% добутої гірської маси, тоді як у розвинених країнах – приблизно 66%.
У Кривбасі накопичилося понад 4 млрд. м3 відходів гірничої промисловості, з яких отруйні речовини потрапляють навіть у Чорне море.
Загальне скидання забруднених вод (мінералізація шахтних вод – 20 кг/т, кар’єрних – 0,7 кг/т) досягає 60 млн. м/рік; вилучено з обігу 70 тис. га родючих земель, підтоплено і засолено 100 км2 прилеглих до місць розробок корисних копалин територій. Кожна тонна видобутої гірської маси супроводжується тут
- • відчуженням 0,04 м2 земель;
- • підтопленням 0,03-0,05 м2 території;
- • скиданням 1,05 м3 шахтних і 0,106 м3 кар’єрних високомінералізованих вод;
- • надходженням в атмосферу 2,0 кг пилу і 1,8 кг отруйних газів. Значний внесок у збільшення кількості відходів дає місто.
Спектр відходів різний за кількістю, агрегатним станом, хімічним складом, токсичністю, впливом на біосферу, рослинний і тваринний світ, здоров’я людини.
Накопичення відходів небезпечні для людства, оскільки у відходах зростає частка матеріалів, які дуже повільно руйнуються в довкіллі;
- • скло зберігається – до 1000 років;
- • пластмаса – 500 років;
- • поліетилен – 200 років;
- • консервні металеві бляшанки – до 100 років;
- • папір – 2-10 років.
5.2. Класифікація відходів
Єдиної класифікації відходів немає, тому їх розподіляють за кількома принципами:
- • за галузями, де вони утворюються (побутові, сільськогосподарські, промислові, каналізаційні);
- • за конкретними виробництвами (відходи ТЕС, трикотажної фабрики, коксохімічного заводу тощо);
- • за агрегатним станом (газоподібні, рідкі, тверді);
- • за тоннажністю (велико чи малотоннажні);
- • за ступенем використання;
- • за цінністю компонентів;
• за впливом на довкілля.
Найчастіше відходи класифікують на основі джерела утворення та з урахуванням їх особливостей: побутові; промислові; сільськогосподарські; будівельні; відходи споживання – вироби і машини, які втратили свої споживчі властивості внаслідок фізичного чи морального спрацювання; радіоактивні; токсичні.
5.3. Токсичність відходів
Токсичність – це міра несумісності речовин з життям; вона обернено пропорційна смертельній (летальній) дозі (1/ЛД50) чи смертельній концентрації (1/ЛС50).
Нині існує багато класифікацій небезпечності і токсичності відходів та інших екотоксикантів:
- • за показниками небезпечності (чотири класи);
- • за небезпекою при різних шляхах потрапляння в організм (8 класів);
- • за силою подразнювальної дії (10 класів);
- • за ступенем кумуляції (5 класів);
- • за видом дії (4 класи) тощо.
З метою оцінки небезпечності відходів використовують класи небезпечності;
I клас – вибухові речовини (тринітротолуол, піроксилін);
II клас – вогненебезпечні гази і пари;
ІІ клас – вогненебезпечні рідини (бензин, бензол, діетиловий ефір);
ІV клас – вогненебезпечні тверді речовини, що мають здатність до самозаймання (вугільний пил, тирса); сюди ж належать речовини, які виділяють під час взаємодії з водою вогненебезпечні гази (карбіди – метаніди та анетиленіди металів утворюють горючі вуглеводні – відповідно метан та ацетилен:
А14С13 + 12НОН = 4А1(ОН)3↓ + ЗСН4↑;
СаС2 + 2НОН = Са(ОН)2 + С2Н2↑;
|
V клас – речовини, які виділяють кисень і можуть спричинити чи сприяти займанню інших матеріалів, наприклад нітрат, хлорат та перманганат калію:
2КNО3 → 2КNО2 + O2↑;
|
2КМnO4 → К2МnO4 + МnO2 + O2↑;
органічні пероксиди;
VI клас – отруйні та інфікуючі речовини (сполуки арсену, меркурію);
VII клас – речовини або відходи, що в разі витікання спричинюють корозію інших вантажів чи транспортних засобів (неорганічні та органічні кислоти; солі сильних слабких основ, що у водних розчинах гідролізують, зокрема хлориди алюмінію і феруму (ІІІ);
VIII клас – речовини, здатні при контакті з повітрям чи водою виділяти токсичні речовини і викликати гострі чи хронічні захворювання в разі потрапляння в організм людини:
|
NaCN + НОН ← NaОН + НСN↑;
|
А12S3 + 6НОН ← 2А1(ОН)3↓ + 3Н2S↑.
Екотоксичні речовини, що в природному середовищі здатні до біоакумуляції негативно впливають на живі організми (важкі метали, пестициди) класифікують згідно з ГОСТ 12.1.007-76.
Короткі характеристики різних типів відходів
5.4. Побутові відходи
Побутові відходи – це все те, що викидається з житлових будинків і установ харчові відходи, спрацьована техніка, старі газети і журнали, консервні бляшанки, старий мотлох тощо.
Кількість відходів та їх склад залежить від багатьох чинників і можуть значно відрізнятися навіть на сусідніх вулицях міста. Структура відходів визначається рівнем розвитку країни, специфікою і розміщенням промислових та господарських об’єктів тощо. Приблизний склад міських твердих відходів, %:
- • папір – 41
- • харчові відходи – 21
- • скло – 12
- • залізо та його сплави – 10
- • пластмаса – 5
- • деревина – 5
- • гума та шкіра – З
- • текстиль – 2
- • алюміній – 1
- • інші матеріали – 0,3.
Щороку на кожного жителя припадає така кількість побутових відходів, кг: США – понад 720, Канади – 380, Франції – 300-360, Великої Британії – 240-300, Голландії – 165-190, Японії – 340-440, Австралії і Фінляндії – понад 620. Майже до 1960-х років більшу частину побутових відходів вивозили за межі міст і спалювали на відкритих майданчиках; згодом звалища сміття влаштовували в природних кар’єрах, заболочених низинах, що потім засипали землею і асфальтували, влаштовуючи рекреаційні зони (території для відпочинку людей). Однак при цьому не лише втрачаються цінні компоненти твердих побутових відходів (ТПВ) – метали, скло, папір, а й забруднюються повітря, ґрунти, поверхневі і підземні води, створюються епідеміологічно небезпечні зони. Пізніше почали вводити в експлуатацію сміттєспалювальні заводи, що забруднювали повітря через відсутність очищення димових газів.
Сортування відходів (скло, метали, папір, пластмаси) дає змогу отримати після переплавлення корисні продукти і збільшити теплотворну здатність побутових відходів.
Перша фабрика для спалювання сміття була збудована в 1870 р. у Лондоні, де з’явилася й електростанція, яка працювала на енергії, що виділяється внаслідок спалювання сміття.
У 1997 р. у німецькому місті Вюрті побудований сміттєспалювальний завод, в якому відбувається практично безвідходний і екологічно чистий процес: нагрівання, до 400° С і подальше спалювання при 1300° С, за якого 90% відходів згоряє, а 10% (твердий залишок) містить кольорові (немагнітні) метали, переважно алюміній, залізо, камені, скло, кераміку, гранульований шлак. Лише 0,3% початкової кількості побутових відходів захоронюють на сміттєвих полігонах. Димові гази зазнають багатоступінчастого очищення і вміст шкідливих речовин значно нижчий від європейських норм. Теплота переробляється на електроенергію.
Ще в 1990 р. в Японії спалювали 74% ТПВ, у Данії-54%. У 1997 р. в Німеччині працювало 57 сміттєспалювальних заподів, у Великій Британії – 23.
Останніми десятиліттями частка ТПВ, що спалюють з утилізацією матеріалів і теплоти, неухильно зростає.
Теплоту від спалювання ТПВ можна використовувати для одержання:
• гарячої води чи водяної пари (утилізаційні котельні),
• електроенергії за рахунок роботи водяної пари (утилізаційні електричні станції),
• теплоти та електроенергії (утилізаційні теплоелектроцентралі).
У разі використання ТПВ як палива беруть до уваги два основні принципи: їх теплотворну здатність та вплив на стан природного середовища продуктів згоряння. Враховують і доступність для масового використання та необхідну активність, яка забезпечує горіння ТПВ.
Теплота згоряння ТПВ (для порівняння) та окремих видів палива така, МДж/кг: тверді побутові відходи – 4-10; горючі сланці Санкт-Петербурга – 4,6-6,0; буре вугілля тресту “Олександріявугілля” – 5-6,5; торф – 8-9.
Питому теплоємність ТПВ визначають за формулою:
Сп ТПВ = 21,9 W+ 2000 (Дж/кг · град),
де W – вологість ТПВ, %.
Питома теплоємність основних компонентів ТПВ така, Дж/кг · град:
- • вода – 4190
- • дерево, картон, папір – 2000-2500
- • скло, каміння, – 800-1000
- • алюміній – 860
- • залізо – 860.
Відходами сміттєспалювальних заводів є тверді відходи (золи та шлаки), рідкі (стічні води), газоподібні (димові гази, серед яких найнебезпечнішим складником, що утворюється в значних кількостях, є оксид сульфуру (IV)). Нижче наведено вміст SO2 у газоподібних викидах при спалюванні ТПВ та палива, %:
- • топкові мазути – 0,3-3,5
- • горючі сланці – 1,6-3,8
- • буре вугілля Підмосков’я – 8.0
- • донецьке вугілля – до 4,0
- • тверді побутові відходи США – 0,1-0,15
тверді побутові відходи країн Європи – 0,1-0,3.
Отже, ТПВ, як за теплотворною здатністю, так і за впливом на довкілля можуть бути використані як джерело енергії.
Внаслідок спалювання полімерних матеріалів, що містять хлор, у димових газах з’являються токсичні речовини – діоксини й фурани, тому гази обов’язково очищають від шкідливих домішок, пилу, золи.
Захоронюючи сміття на полігонах, слід враховувати компресійні властивості відходів – зменшення їх об’єму при ущільненій (під тиском 0,1 МПа об’єм зменшується в 3-4 рази).
Полігони ТПВ становлять значну небезпеку для довкілля, оскільки
- • у разі їх розмивання атмосферними опадами в ґрунт, ґрунтові води й повітря потрапляють забрудники, що містились у відходах (важкі метали, пестициди, мийні засоби тощо) чи утворилися під час їх зберігання;
- • в них можуть міститися збудники гепатиту, туберкульозу, шкірних захворювань, тощо;
- • під час гниття виділяються сморідні і токсичні гази: меркаптани, гідрогено-сульфур, оксиди карбону, сульфуру, нітрогену;
- • на них розмножуються гризуни, живляться інші тварини, які є збудниками чи носіями небезпечних захворювань;
- • забруднення може потрапляти в рослини, а потім з ними – в організм людини.
Вчені Лос-Аламоської національної лабораторії США запропонувати знешкоджувати побутові стічні води, опромінюючи їх скануючим електронним променем. При цьому руйнуються бензол, фенол, трихлоретилен та інші органічні сполуки, що важко окиснюються хімічними методами.
У Німеччині один раз на квартал дозволяють влаштовувати біля будинку звалище громіздких речей за 8 год до приїзду машини, що збирає сміття. Непотрібний одяг і взуття збирають благодійні організації.
Експорт відходів – найдешевший спосіб позбавлення від них: якщо переробка хімічних відходів у Європі коштує 160-200, то експорт в Африку – всього 2,5-40 доларів за тонну.