Физико-химические методы рециклинга твердых отходов

Физико-химические методы рециклинга твердых отходов Введение Любые технологические процессы, имеющие в своей основе измельчение или какой либо передел будут давать отходы. Отходами называют природные ресурсы, не используемые в технологическом процессе основного производства. Однако такого рода природные ресурсы могут быть полезны в иных отраслях промышленности, и поэтому их следует рассматривать, как вторичные материальные ресурсы (ВМР). Культура современного производства во многом зависит от способа обращения с вторичными материальными ресурсами. В одном случае ВМР могут загрязнять сферы, в другом случае, при правильном использовании дополнительно извлекаются полезные ресурсы, организуется круговорот веществ, снижается экологическая нагрузка на территорию. Экономистами многих стран подсчитано, что на 1 тонну полезной продукции добывается, извлекается, привлекается около 20 тонн полезных ресурсов, т.е. кпд цивилизации около 5%. При средней эффективности (5%) производства многие страны ведут политику по перераспределению твердых отходов, отходов производства путем перераспределения категорий переделов природных ресурсов (некоторые страны фигурируют в качестве мировых свалок). Однако некоторые страны показывают пример в обращении с ВМА и импортируют твердые отходы с организацией их переработки, передела и с получением чистого продукта. Италия ежегодно импортирует до 1,5млн. тонн полимеров. Швейцария импортирует твердые бытовые отходы с целью их химического обезвреживания (сжигания). В настоящее время в странах Западной Европы на душу населения приходится 40-160 кг твердых отходов в год; в США 200-250 кг. Во многих странах (Германия, Англия) разрабатывают программы по уменьшению количества твердых отходов. 1. Характер воздействия и геохимические последствия размещения отходов. Потенциальный ущерб, наносимый отходами окружающей среде, проявляется в широкой области разнообразных промышленных производств, что обусловлено необходимостью добычи сырья, его транспортировки, переработки, выработки энергии и обработки отходов. Влияние отходов на окружающую среду в общем случае трудно определить и отличить от влияния аналогичных продуктов, произведенных в исходных процессах. Например, нет большого различия между производством оконного стекла и стеклянной тары. Кроме того, можно обнаружить много параллелей в загрязнении природной среды различными отраслями промышленности, следовательно, представляется необходимым дать достаточно полное описание основных типов негативных воздействий, нарушающих естественный ход жизни в природе. Основные факторы экологического воздействия редко встречаются в отдельности. Например, экологический ущерб залпового сброса стоков с высоким БПК в реку очень сильно зависит от температуры, - с одной стороны, токсичность продуктов и жизненный ритм микроорганизмов, принимающих участие в реакциях разложения, увеличивается с ростом температуры; с другой стороны, высокое значение БПК влечет существенное обеднение воды кислородом. Оно увеличивается с повышением температуры. Недостаток кислорода в воде вызовет гибель высших организмов, таких как рыбы, что в свою очередь приведет к дальнейшему росту уровня БПК. В системе с пониженным содержанием кислорода начинается анаэробная ферментация, генерирующая, например, зловонный и токсичный газ - сероводород (H2S). Предвидеть негативные потенциальные последствия такого залпового сброса гораздо труднее, чем может показаться на первый взгляд. Некоторые из них могут быть вовсе не замеченными или же сочтены незначительными, особенно если возможна «миграция» или если организмы, поступающие из загрязненного источника, способны рассеиваться в сообщества. Растения, подверженные воздействию токсичных продуктов в воздухе или почве, не могут мигрировать для своей защиты. Однако при этом следует учитывать разбавление ядовитых веществ: в воздухе - с помощью ветра, а в почве - в результате дождя. При добыче полезных ископаемых подземным и открытым способом, при переработке полезных ископаемых, особенно редкоземельных и цветных металлов, из-за необходимости получения большей массы полезных ископаемых, размещения хвостов обогащения формируются промышленные ландшафты (карьеры, хвостохранилища, и др.). Многие вещества, возникшие и сформировавшиеся под действием дефицита кислорода (магматические, метаморфические и частично осадочные процессы), в результате химической, биохимической деятельности природной среды окисляются, происходит их превращение, перенос на большие расстояния и, таким образом, изменяются характеристики круговорота веществ. Вещества, образующиеся в результате этой деятельности, носят название продуктов техногенеза. Факторы, характеризующие способность детоксикации продуктов техногенеза, могут быть классифицированы, как: факторы, определяющие интенсивность выноса и рассеяния (осадки, скорость ветра, сток, геоморфологическое положение в ландшафтной системе, гранулометрический состав почв и грунтов); факторы, определяющие интенсивность метаболизма (сумма солнечной радиации, сумма положительных температур, интенсивность ультрафиолета, фотохимических реакций, скорость разложения органического вещества); факторы, определяющие возможность и интенсивность закрепления продуктов техногенеза в ландшафтах,: окислительно-восстановительные реакции, сорбционная емкость, тип геохимических арен, а именно: открытые, замкнутые, контрастные; исходный состав ингредиентов, минералогический состав почвы, геохимические барьеры. Геохимические барьеры возникают в условиях резкого уменьшения фильтрации, резкого изменения морфологических характеристик слагаемых пород, изменения режима аэрации почв и грунтов. Миграция элементов может происходить без их значительного механического перемещения (путем перехода из минеральной формы в водный раствор) или может происходить со значительным механическим перемещением (водными потоками), а также с объединением этих двух путей. Интенсивность и направление миграции может быть оценено с помощью ионного потенциала: Р = W/10R, где W – валентность; R – радиус иона, нм. Р < 3 – ионы легко переходят в водный раствор и не образуют комплексных соединений (K+, Na+, Ca2+). Р = 3…12 – трудно растворимые соединения (Fe, Zn, V, Cr, Si, Mo). Р > 12 – имеются условия создания комплексных соединений (B, C, N, P, S). Энергетический коэффициент иона характеризует способность элемента выпадать из раствора. Так, например, Fe3+ выпадает из раствора при рН = 2; Al – при рН = 4,1; Zn – при рН = 7; Cr – при рН = 5,3. При относительно узком интервале рН (6,5…8,5) вполне возможно выпадение значительного количества тяжелых металлов: Cd, Ni, Co, Zn, Mn. Возможно еще и образование комплексных солей. 2. Классификация отходов – вторичных материальных ресурсов (ВМР): производственные отходы, отходы промышленного и бытового потребления. Изношенная упаковка (ОПУ) – отходы потребления Опасные отходы в зависимости от степени их вредного воздействия на окружающую природную среду и здоровье человека подразделяются на классы опасности в соответствии с критериями, установленными специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией. с точки зрения воздействия на окружающую природную среду возобладала точка зрения Министерства природных ресурсов, которое рекомендовало деление отходов на 5 классов опасности: 1-й класс опасности – чрезвычайно опасные, 2-й класс опасности – высокоопасные, 3-й класс опасности – умеренно опасные, 4- класс опасности – малоопасные, 5-й класс опасности – неопасные. Индивидуальные предприниматели и юридические лица, в процессе деятельности которых образуются опасные отходы, обязаны подтвердить отнесение данных отходов к конкретному классу опасности в порядке, установленном специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами. На опасные отходы должен быть составлен паспорт. Паспорт опасных отходов составляется на основании данных о составе и свойствах опасных отходов, оценки их опасности. Порядок паспортизации определяет Правительство Российской Федерации. Критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды разработаны в соответствии со статьей 14 Федерального закона от 24 июня 1998 г. N 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» (Собрание законодательства Российской Федерации, 1998, N 26, ст. 3009). Критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды предназначены для индивидуальных предпринимателей и юридических лиц, в процессе деятельности которых образуются опасные отходы для окружающей природной среды, и которые обязаны подтвердить отнесение данных отходов к конкретному классу опасности для окружающей природной среды (далее - производители отходов). Класс опасности отходов устанавливается по степени возможного вредного воздействия на окружающую природную среду при непосредственном или опосредованном воздействии опасного отхода на нее в соответствии с Критериями, приведенными в таблице 1, 3, 4. Таблица 1 N п/п СТЕПЕНЬ вредного воздействия опасных отходов на ОПС КРИТЕРИИ отнесения опасных отходов к классу опасности для ОПС КЛАСС ОПАСНОСТИ отхода для ОПС 1. ОЧЕНЬ ВЫСОКАЯ Экологическая система необратимо нарушена. Период восстановления отсутствует I КЛАСС ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОПАСНЫЕ 2. ВЫСОКАЯ Экологическая система сильно нарушена. Период восстановления не менее 30 лет после полного устранения источника вредного воздействия II КЛАСС ВЫСОКООПАСНЫЕ 3. СРЕДНЯЯ Экологическая система нарушена. Период восстановления не менее 10 лет после снижения вредного воздействия от существующего источника III КЛАСС УМЕРЕННО ОПАСНЫЕ 4. НИЗКАЯ Экологическая система нарушена. Период самовосстановления не менее 3-х лет IV КЛАСС МАЛООПАСНЫЕ 5. ОЧЕНЬ НИЗКАЯ Экологическая система практически не нарушена V КЛАСС ПРАКТИЧЕСКИ НЕОПАСНЫЕ Отнесение отходов к классу опасности для ОПС может осуществляться расчетным или экспериментальным методами. В случае отнесения производителями отходов отхода расчетным методом к 5-му классу опасности, необходимо его подтверждение экспериментальным методом. При отсутствии подтверждения 5-го класса опасности экспериментальным методом отход может быть отнесен к 4-му классу опасности. Отнесение отходов к классу опасности для ОПС расчетным методом осуществляется на основании показателя (К), характеризующего степень опасности отхода при его воздействии на ОПС, рассчитанного по сумме показателей опасности веществ, составляющих отход (далее компоненты отхода), для ОПС (Кi). Перечень компонентов отхода и их количественное содержание устанавливаются по составу исходного сырья и технологическим процессам его переработки или по результатам количественного химического анализа. Показатель степени опасности компонента отхода (Ki) рассчитывается как соотношение концентраций компонентов отхода (Ci) с коэффициентом его степени опасности для ОПС (Wi); коэффициентом степени опасности компонента отхода для ОПС является условный показатель, численно равный количеству компонента отхода, ниже значения которого он не оказывает негативного воздействий на ОПС. Размерность коэффициента степени опасности для ОПС условно принимается как мг/кг. В перечень показателей, используемых для расчета Wi, включается показатель информационного обеспечения для учета недостатка информации по первичным показателям степени опасности компонентов отхода для ОПС. Показатель информационного обеспечения рассчитывается путем деления числа установленных показателей (n) на 12 (N - количество наиболее значимых первичных показателей опасности компонентов отхода для ОПС). По установленным степеням опасности компонентов отхода для ОПС в различных природных средах рассчитывается относительный параметр опасности компонента отхода для ОПС (Xi) делением суммы баллов по всем параметрам на число этих параметров. Коэффициент Wi рассчитывается по одной из следующих формул: ┌── 4 - 4 / Zi; Для 1 < Zi < 2 lg Wi = │ ├── Zi; Для 2 < Zi < 4 │ └── 2 + 4 / (6 - Zi), где Для 4 < Zi < 5 Zi = 4 Xi / 3 - 1 / 3. Показатель степени опасности компонента отхода для ОПС Ki рассчитывается по формуле: Ki = Ci / Wi, где Ci - концентрация i-го компонента в опасном отходе (мг/кг отхода); Wi - коэффициент степени опасности i-го компонента опасного отхода для ОПС (мг/кг). K = K1 + K2 + ... + Kn, где K - показатель степени опасности отхода для ОПС; K1, K2, ... Kn - показатели степени опасности отдельных компонентов отхода для ОПС. Отнесение отходов к классу опасности расчетным методом по показателю степени опасности отхода для ОПС осуществляется в соответствии с табл. 3. Таблица 3 КЛАСС ОПАСНОСТИ ОТХОДА СТЕПЕНЬ ОПАСНОСТИ ОТХОДА ДЛЯ ОПС (K) I 1∙106 >= K > 1∙104 II 1∙104 >= K > 1∙103 III 1∙103 >= K > 1∙102 IV 1∙102 >= K > 10 V K <= 10 Для подтверждения отнесения отходов к пятому классу опасности для ОПС, установленного расчетным методом, определяется воздействие только водной вытяжки отхода без ее разведения. Класс опасности устанавливается по кратности разведения водной вытяжки, при которой не выявлено воздействие на гидробионтов в соответствии со следующими диапазонами кратности разведения в соответствии с табл. 4. Таблица 4 КЛАСС ОПАСНОСТИ ОТХОДА КРАТНОСТЬ РАЗВЕДЕНИЯ ВОДНОЙ ВЫТЯЖКИ ИЗ ОПАСНОГО ОТХОДА, ПРИ КОТОРОЙ ВРЕДНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГИДРОБИОНТОВ ОТСУТСТВУЕТ I > 10000 II От 10000 до 1001 III От 1000 до 101 IV < 100 V 1 Экспериментальный метод отнесения отходов к классу опасности для ОПС осуществляется в специализированных аккредитованных для этих целей лабораториях. Экспериментальный метод используется для подтверждения отнесения отходов к 5-му классу опасности, установленного расчетным методом. Лекция 2. Федеральный закон «О твердых отходах». Организация сбора и переработки отходов потребления. Управление переработкой отходов В нашей стране принят целый ряд нормативно-правовых документов, регулирующих отношения в области обращения с отходами. Основополагающим документом является Федеральный закон «О твердых отходах», который определяет правовые основы обращения с отходами производства и потребления в целях предотвращения вредного воздействия отходов производства и потребления на здоровье человека и окружающую природную среду, а также вовлечения таких отходов в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья. В законе используются основные понятия: отходы производства и потребления (далее - отходы) – остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, которые образовались в процессе производства или потребления, а также товары продукция), утратившие свои потребительские свойства; опасные отходы - отходы, которые содержат вредные вещества, обладающие опасными свойствами (токсичностью, взрывоопасностью, пожароопасностью, высокой реакционной способностью) или содержащие возбудителей инфекционных болезней, либо которые могут представлять непосредственную или потенциальную опасность для окружающей природной среды и здоровья человека самостоятельно или при вступлении в контакт с другими веществами; обращение с отходами - деятельность, в процессе которой образуются отходы, а также деятельность по сбору, использованию, обезвреживанию, транспортированию, размещению отходов; размещение отходов - хранение и захоронение отходов; хранение отходов - содержание отходов в объектах размещения отходов в целях их последующего захоронения, обезвреживания или использования; захоронение отходов - изоляция отходов, не подлежащих дальнейшему использованию, в специальных хранилищах в целях предотвращения попадания вредных веществ в окружающую природную среду; использование отходов - применение отходов для производства товаров (продукции), выполнения работ, оказания услуг или для получения энергии; обезвреживание отходов - обработка отходов, в том числе сжигание и обеззараживание отходов на специализированных установках, в целях предотвращения вредного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую природную среду; объект размещения отходов - специально оборудованное сооружение, предназначенное для размещения отходов (полигон, шламохранилище, хвостохранилище, отвал горных пород и другое); трансграничное перемещение отходов - перемещение отходов с территории, находящейся под юрисдикцией одного государства, на территорию (через территорию), находящуюся под юрисдикцией другого государства, или в район, не находящийся под юрисдикцией какого-либо государства, при условии, что такое перемещение отходов затрагивает интересы не менее чем двух государств; лимит на размещение отходов - предельно допустимое количество отходов конкретного вида, которые разрешается размещать определенным способом на установленный срок в объектах размещения отходов с учетом экологической обстановки на данной территории; норматив образования отходов - установленное количество отходов конкретного вида при производстве единицы продукции; паспорт опасных отходов - документ, удостоверяющий принадлежность отходов к отходам соответствующего вида и класса опасности, содержащий сведения об их составе; вид отходов - совокупность отходов, которые имеют общие признаки в соответствии с системой классификации отходов; лом и отходы цветных и (или) черных металлов - пришедшие в негодность или утратившие свои потребительские свойства изделия из цветных и (или) черных металлов и их сплавов, отходы, образовавшиеся в процессе производства изделий из цветных и (или) черных металлов и их сплавов, а также неисправимый брак, возникший в процессе производства указанных изделий. Правовое регулирование в области обращения с отходами осуществляется Федеральным законом, другими законами и иными нормативными правовыми актами Российской Федерации, а также законами и иными нормативными правовыми актами субъектов Российской Федерации. Отношения в области обращения с радиоактивными отходами, с выбросами вредных веществ в атмосферу и со сбросами вредных веществ в водные объекты регулируются соответствующим законодательством Российской Федерации. Основными принципами государственной политики в области обращения с отходами являются: охрана здоровья человека, поддержание или восстановление благоприятного состояния окружающей природной среды и сохранение биологического разнообразия; научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов общества в целях обеспечения устойчивого развития общества; использование новейших научно - технических достижений в целях реализации малоотходных и безотходных технологий; комплексная переработка материально - сырьевых ресурсов в целях уменьшения количества отходов; использование методов экономического регулирования деятельности в области обращения с отходами в целях уменьшения количества отходов и вовлечения их в хозяйственный оборот; доступ в соответствии с законодательством Российской Федерации к информации в области обращения с отходами; участие в международном сотрудничестве Российской Федерации в области обращения с отходами. Отходы производства и потребления не могут рассматриваться как нечто никому не нужные вещества, они рассматриваются как объект права собственности При этом, основным положением является то, что право собственности на отходы принадлежит собственнику сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, а также товаров (продукции), в результате использования которых эти отходы образовались. Право собственности на отходы может быть приобретено другим лицом на основании договора купли - продажи, мены, дарения или иной сделки об отчуждении отходов. Собственник опасных отходов вправе отчуждать опасные отходы в собственность другому лицу, передавать ему, оставаясь собственником, право владения, пользования или распоряжения опасными отходами, если у этого лица имеется лицензия на осуществление деятельности в области обращения с опасными отходами. В случае если отходы брошены собственником или иным образом оставлены им с целью отказаться от права собственности на них, лицо, в собственности, во владении либо в пользовании которого находится земельный участок, водоем или иной объект, где находятся брошенные отходы, может обратить их в свою собственность, приступив к их использованию или совершив иные действия, свидетельствующие об обращении их в собственность в соответствии с гражданским законодательством. При реализации положения о праве собственности на отходы необходимо учитывать, что органы государственной власти Федерации и субъектов Федерации наделены определенными полномочиями. К полномочиям Российской Федерации в области обращения с отходами относятся: разработка и принятие федеральных законов и иных нормативных правовых актов Российской Федерации в области обращения с отходами; проведение в Российской Федерации единой государственной политики в области обращения с отходами; осуществление надзора за исполнением законодательства Российской Федерации в области обращения с отходами; организация и осуществление государственного контроля и надзора за деятельностью в области обращения с отходами; определение компетенции специально уполномоченных федеральных органов исполнительной власти в области обращения с отходами; разработка, утверждение и реализация федеральных целевых программ в области обращения с отходами; лицензирование деятельности в области обращения с опасными отходами; установление государственных стандартов, правил, нормативов и требований безопасного обращения с отходами; осуществление мер по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, возникших при осуществлении обращения с отходами; организация государственного учета и отчетности в области обращения с отходами; обеспечение населения информацией в области обращения с отходами; определение порядка ведения государственного кадастра отходов и организация его ведения; обеспечение экономических, социальных и правовых условий для более полного использования отходов и уменьшения их образования; осуществление международного сотрудничества Российской Федерации в области обращения с отходами; осуществление иных предусмотренных законодательством Российской Федерации полномочий. К полномочиям субъектов Российской Федерации в области обращения с отходами относятся: обеспечение проведения государственной политики в области обращения с отходами; осуществление правового регулирования в области обращения с отходами в соответствии с законодательством Российской Федерации и контроль осуществления такого регулирования; проектирование и строительство объектов размещения отходов, а также объектов использования и обезвреживания отходов; определение органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации в области обращения с отходами и компетенции данных органов; организация и осуществление государственного контроля и надзора за деятельностью в области обращения с отходами; проведение мероприятий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, возникших при осуществлении обращения с отходами; разработка и реализация региональных целевых программ в области обращения с отходами, участие в разработке и выполнении федеральных целевых программ в области обращения с отходами; обеспечение экономических, социальных и правовых условий для более полного использования отходов и уменьшения их образования; обеспечение населения информацией в области обращения с отходами; участие в ведении государственного кадастра отходов; участие в международном сотрудничестве Российской Федерации в области обращения с отходами; иные полномочия в области обращения с отходами, не отнесенные к полномочиям Российской Федерации в области обращения с отходами. Специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами являются федеральные органы исполнительной власти, на которые в установленном порядке возложено выполнение задач и функций государственного управления в области обращения с отходами. К специально уполномоченным федеральным органам относятся Управление Федеральной службы надзора в сфере природопользования (Росприроднадзор), Ростехнадзор, Роспотребнадзор, государственный таможенный комитет РФ и др. Органы местного самоуправления осуществляют свою деятельность в области обращения с отходами в пределах полномочий, предоставленных им законодательством Российской Федерации и законодательством субъектов Российской Федерации. Органы местного самоуправления не входят в структуру органов государственной власти и в пределах своих полномочий самостоятельны. Деятельность по обращению с опасными отходами подлежит лицензированию в соответствии с законодательством Российской Федерации. В целях обеспечения охраны окружающей природной среды и здоровья человека, уменьшения количества отходов применительно к индивидуальным предпринимателям и юридическим лицам, осуществляющим деятельность в области обращения с отходами, устанавливаются нормативы образования отходов и лимиты на их размещение. Лимиты на размещение отходов устанавливают в соответствии с нормативами предельно допустимых вредных воздействий на окружающую природную среду специально уполномоченные федеральные органы исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией. Индивидуальные предприниматели и юридические лица, осуществляющие деятельность в области обращения с отходами, разрабатывают проекты нормативов образования отходов и лимитов на их размещение. Порядок разработки и утверждения нормативов образования отходов и лимитов на их размещение определяет Правительство Российской Федерации. При нарушении нормативов образования отходов и лимитов на их размещение деятельность индивидуальных предпринимателей и юридических лиц в области обращения с отходами может быть ограничена, приостановлена или прекращена в порядке, предусмотренном законодательством Российской Федерации. Индивидуальные предприниматели и юридические лица, осуществляющие деятельность в области обращения с отходами, обязаны вести в установленном порядке учет образовавшихся, использованных, обезвреженных, переданных другим лицам или полученных от других лиц, а также размещенных отходов. Порядок учета в области обращения с отходами устанавливают специально уполномоченные федеральные органы исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией; порядок статистического учета в области обращения с отходами - специально уполномоченный федеральный орган исполнительной власти в области статистического учета. Индивидуальные предприниматели и юридические лица, осуществляющие деятельность в области обращения с отходами, обязаны представлять отчетность в порядке и в сроки, которые определены специально уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в области статистического учета по согласованию со специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией. Индивидуальные предприниматели и юридические лица, осуществляющие деятельность в области обращения с отходами, обеспечивают хранение материалов учета в течение срока, определенного специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией. Для государственного реестра объектов и классификации отходов составляется государственный кадастр отходов. Государственный кадастр отходов включает в себя федеральный классификационный каталог отходов, государственный реестр объектов размещения отходов, а также банк данных об отходах и о технологиях использования и обезвреживания отходов различных видов. Государственный кадастр отходов ведется по единой для Российской Федерации системе. Порядок ведения государственного кадастра отходов определяется Правительством Российской Федерации. Для предприятий, сооружений устанавливаются определенные требования. При проектировании, строительстве, реконструкции, консервации и ликвидации предприятий, зданий, строений, сооружений и иных объектов, в процессе эксплуатации которых образуются отходы, граждане, которые осуществляют индивидуальную предпринимательскую деятельность без образования юридического лица (далее - индивидуальные предприниматели), и юридические лица обязаны: соблюдать экологические, санитарные и иные требования, установленные законодательством Российской Федерации в области охраны окружающей природной среды и здоровья человека; иметь техническую и технологическую документацию об использовании, обезвреживании образующихся отходов. В частности, в составе технико-экономического обоснования (ТЭО) должен быть подраздел «Обращение с отходами», проектно-конструкторская документация должна охватывать весь цикл обращения с отходами. Строительство, реконструкция, консервация и ликвидация предприятий, зданий, строений, сооружений и иных объектов, эксплуатация которых связана с обращением с отходами, допускаются при наличии положительного заключения государственной экологической экспертизы. При проектировании жилых зданий, а также предприятий, зданий, строений, сооружений и иных объектов, в процессе эксплуатации которых образуются отходы, необходимо предусматривать места (площадки) для сбора таких отходов в соответствии с установленными правилами, нормативами и требованиями в области обращения с отходами. Индивидуальные предприниматели и юридические лица при эксплуатации предприятий, зданий, строений, сооружений и иных объектов, связанной с обращением с отходами, обязаны: соблюдать экологические, санитарные и иные требования, установленные законодательством Российской Федерации в области охраны окружающей природной среды и здоровья человека; разрабатывать проекты нормативов образования отходов и лимитов на размещение отходов в целях уменьшения количества их образования; внедрять малоотходные технологии на основе новейших научно - технических достижений; проводить инвентаризацию отходов и объектов их размещения; проводить мониторинг состояния окружающей природной среды на территориях объектов размещения отходов; предоставлять в установленном порядке необходимую информацию в области обращения с отходами; соблюдать требования предупреждения аварий, связанных с обращением с отходами, и принимать неотложные меры по их ликвидации; в случае возникновения или угрозы аварий, связанных с обращением с отходами, которые наносят или могут нанести ущерб окружающей природной среде, здоровью или имуществу физических лиц либо имуществу юридических лиц, немедленно информировать об этом специально уполномоченные федеральные органы исполнительной власти в области обращения с отходами, органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации, органы местного самоуправления. Отходы могут временно или на постоянной основе храниться в специально отведенных местах, для которых также установлены определенные требования. Эти требования закреплены в СанПиН 2.1.7.1322-03. Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию отходов производства и потребления, СанПиН 2.1.7. 722-98. Гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов для ТБО, СанПиН 2.2.1/2.1.1. 1200-03. Санитарно защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. Создание объектов размещения отходов допускается на основании разрешений, выданных специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией. Определение места строительства объектов размещения отходов осуществляется на основе специальных (геологических, гидрологических и иных) исследований в порядке, установленном законодательством Российской Федерации, и при наличии положительного заключения государственной экологической экспертизы. На территориях объектов размещения отходов и в пределах их воздействия на окружающую природную среду собственники объектов размещения отходов, а также лица, во владении или в пользовании которых находятся объекты размещения отходов, обязаны проводить мониторинг состояния окружающей природной среды в порядке, установленном специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией. Собственники объектов размещения отходов, а также лица, во владении или в пользовании которых находятся объекты размещения отходов, после окончания эксплуатации данных объектов обязаны проводить контроль за их состоянием и воздействием на окружающую природную среду и работы по восстановлению нарушенных земель в порядке, установленном законодательством Российской Федерации. Запрещается захоронение отходов на территориях городских и других поселений, лесопарковых, курортных, лечебно - оздоровительных, рекреационных зон, а также водоохранных зон, на водосборных площадях подземных водных объектов, которые используются в целях питьевого и хозяйственно – бытового водоснабжения. Запрещается захоронение отходов в местах залегания полезных ископаемых и ведения горных работ в случаях, если возникает угроза загрязнения мест залегания полезных ископаемых и безопасности ведения горных работ. Объекты размещения отходов вносятся в государственный реестр объектов размещения отходов. Ведение государственного реестра объектов размещения отходов осуществляется в порядке, определенном Правительством Российской Федерации. Аналогичные требования к обращению с отходами разработаны и для территорий городских и других поселений. Эти требования заложены в СанПиН 42-128-4690-88. Санитарные правила содержания территорий населенных мест, СНиП 2.07.01-89. Градостроительство. Планировка и застройка городов и сельских населенных мест. Территории городских и других поселений подлежат регулярной очистке от отходов в соответствии с экологическими, санитарными и иными требованиями. Организацию деятельности в области обращения с отходами на территориях городских и других поселений осуществляют органы местного самоуправления в соответствии с законодательством Российской Федерации. Порядок сбора отходов на территориях городских и других поселений, предусматривающий их разделение на виды (пищевые отходы, текстиль, бумага и другие), определяется органами местного самоуправления и должен соответствовать экологическим, санитарным и иным требованиям в области охраны окружающей природной среды и здоровья человека. В сложившейся практике сбора отходов, содержащих лом цветных и черных металлов в 2000 г. в Федеральный закон были внесены поправки, устанавливающие требования к обращению с ломом и отходами цветных и (или) черных металлов и их отчуждению Физические лица могут осуществлять в порядке, установленном законодательством Российской Федерации, отчуждение лома и отходов цветных металлов, образующихся при использовании изделий из цветных металлов в быту и принадлежащих им на праве собственности, согласно перечню разрешенных для приема от физических лиц лома и отходов цветных металлов, утвержденному органами государственной власти субъектов Российской Федерации. Юридические лица и индивидуальные предприниматели могут осуществлять обращение с ломом и отходами цветных металлов и их отчуждение в случае, если имеются документы, подтверждающие их право собственности на указанные лом и отходы. Правила обращения с ломом и отходами цветных металлов и их отчуждения устанавливаются Правительством Российской Федерации. Правила обращения с ломом и отходами черных металлов и их отчуждения устанавливаются Правительством Российской Федерации. Деятельность индивидуальных предпринимателей и юридических лиц, в процессе которой образуются опасные отходы, может быть ограничена или запрещена в установленном законодательством Российской Федерации порядке при отсутствии технической или иной возможности обеспечить безопасное для окружающей природной среды и здоровья человека обращение с опасными отходами. Организационные мероприятия на самих предприятиях сводятся к назначению лиц, ответственных за обращение с твердыми отходами. Лица, которые допущены к обращению с опасными отходами, обязаны иметь профессиональную подготовку, подтвержденную свидетельствами (сертификатами) на право работы с опасными отходами. Ответственность за допуск работников к работе с опасными отходами несет соответствующее должностное лицо организации. Транспортирование опасных отходов должно осуществляться при следующих условиях: наличие паспорта опасных отходов; наличие специально оборудованных и снабженных специальными знаками транспортных средств; соблюдение требований безопасности к транспортированию опасных отходов на транспортных средствах; наличие документации для транспортирования и передачи опасных отходов с указанием количества транспортируемых опасных отходов, цели и места назначения их транспортирования. Порядок транспортирования опасных отходов на транспортных средствах, требования к погрузочно - разгрузочным работам, упаковке, маркировке опасных отходов и требования к обеспечению экологической и пожарной безопасности определяются государственными стандартами, правилами и нормативами, разработанными и утвержденными специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией. Ввоз отходов на территорию Российской Федерации в целях их захоронения и обезвреживания запрещается. Ввоз отходов на территорию Российской Федерации в целях их использования осуществляется на основании разрешения, выданного в установленном порядке Правительством Российской Федерации. Для реализации основных положений государственной политики в области обращения с отходами разработаны принципы экономического регулирования. Основными принципами экономического регулирования в области обращения с отходами являются: уменьшение количества отходов и вовлечение их в хозяйственный оборот; платность размещения отходов; экономическое стимулирование деятельности в области обращения с отходами. В целях планирования мер по уменьшению количества отходов, их использованию, обезвреживанию и размещению с учетом состояния окружающей природной среды, а также уровня социально - экономического развития территорий федеральные органы исполнительной власти и органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации разрабатывают соответственно федеральные целевые программы и региональные целевые программы в области обращения с отходами. Финансирование программ в области обращения с отходами осуществляется в соответствии с законодательством Российской Федерации и с законодательством субъектов Российской Федерации. За размещение отходов с индивидуальных предпринимателей и юридических лиц в соответствии с законодательством Российской Федерации взимается плата. Базовые нормативы платы за размещение отходов определяет Правительство Российской Федерации. Дифференцированные ставки платы за размещение отходов устанавливают с учетом экологической обстановки на соответствующих территориях отходов в соответствии с законодательством Российской Федерации органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации по согласованию со специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией. За функционированием системы обращения с твердыми отходами в нашей стране осуществляется государственный, производственный и общественный контроль. Государственный контроль деятельности в области обращения с отходами осуществляют специально уполномоченные федеральные органы исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией и органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации. Государственный контроль деятельности в области обращения с отходами включает в себя: контроль выполнения экологических, санитарных и иных требований в области обращения с отходами; контроль соблюдения требований к трансграничному перемещению отходов; контроль соблюдения требований пожарной безопасности в области обращения с отходами; контроль соблюдения требований предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, возникающих при обращении с отходами; контроль соблюдения требований и правил транспортирования опасных отходов; контроль выполнения мероприятий по уменьшению количества отходов и вовлечению отходов в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья; контроль достоверности предоставляемой информации в области обращения с отходами и отчетности об отходах; выявление нарушений законодательства Российской Федерации в области обращения с отходами и контроль принятия мер по устранению таких нарушений; привлечение в установленном порядке виновных индивидуальных предпринимателей и юридических лиц к ответственности, применение штрафных санкций, предъявление исков о возмещении ущерба, причиненного окружающей природной среде и здоровью человека в результате нарушения законодательства Российской Федерации в области обращения с отходами. Решения органов, осуществляющих государственный контроль деятельности в области обращения с отходами, могут быть обжалованы в порядке, установленном законодательством Российской Федерации. Юридические лица, осуществляющие деятельность в области обращения с отходами, организуют и осуществляют производственный контроль соблюдения требований законодательства Российской Федерации в области обращения с отходами. Порядок осуществления производственного контроля в области обращения с отходами определяют юридические лица, осуществляющие деятельность в области обращения с отходами, по согласованию со специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами. Общественный контроль в области обращения с отходами осуществляют граждане или общественные объединения в порядке, предусмотренном законодательством Российской Федерации. Неисполнение или ненадлежащее исполнение законодательства Российской Федерации в области обращения с отходами должностными лицами и гражданами влечет за собой дисциплинарную, административную, уголовную или гражданско–правовую ответственность в соответствии с законодательством Российской Федерации. Лекция 3. Твердые отходы черной и цветной металлургии 1. Доменное производство 1.1. Историческая справка. Чугун был известен за 4-6 вв. до н. э. Д. п. возникло в результате развития сыродутного процесса - «прямого» получения железа в твёрдом состоянии непосредственно из железной руды путём восстановления её в низких горнах или шахтных печах (домницах) с помощью древесного угля. Первые доменные печи в Европе появились в середине 14 в., а в России - около 1630, вблизи Тулы и Каширы. На Урале первый чугун получен в 1701, а в середине 18 в. благодаря развитию уральской металлургии Россия вышла на 1-е место в мире, которое удерживала до начала 19 в. До середины 18 в. единственное топливо в Д. п. - древесный уголь. В 1735 А. Дерби применил в доменной плавке каменноугольный кокс. Основные этапы развития Д. п.: применение паровой воздуходувной машины (И. И. Ползунов, 1766), нагрев дутья (Дж. Нилсон, 1829), изобретение кирпичного воздухонагревателя регенеративного типа (Э. Каупер, 1857). В 1913 в России было выплавлено 4,2 млн. т чугуна и она занимала 5-е место в мире. В 1940 в СССР было выплавлено 15 млн. т чугуна (3-е место в мире), а с 1947 Советский Союз уступал только США. В 1970 СССР вышел на 1-е место в мире. Выплавка чугуна в СССР в 1971 составила 89,3 млн. т. 2. Доменный цех и основные процессы. Доменный цех (рис. 1) завода с полным металлургическим циклом имеет, как правило, не менее 3 доменных печей с воздухонагревателями и системой газоочистки. Рис. 1. Запас шихты (кокса на 6-12 ч, агломерата или руды, а также флюсов на 1-2 суток работы печей) хранится в бункерах эстакады (общей для всех доменных печей). На многих металлургических заводах в состав доменного цеха входит так называемый рудный двор, где хранится основной запас железных руд, укладываемых в штабеля рудными перегружателями. формирование штабеля и забор из него материалов производятся с учётом усреднения руд. В доменном цехе имеются также машины для разливки чугуна. Доменная печь (рис. 2) представляет собой шахтную печь круглого сечения; футерована огнеупорной кладкой (верхняя часть шамотным кирпичом, нижняя - преимущественно углеродистыми блоками). Для предотвращения разгара кладки и защиты кожуха печи от высоких температур используют холодильники, в которых циркулирует вода. Кожух печи и колошниковое устройство поддерживаются колоннами, установленными на фундаменте. Рис. 2 1- доменная печь шахтного типа; 2- конус; 3- приемный конус; 4- положение конуса после выгрузки шихты; 5- выпуск колошникового газа; 6- обшивка печи; 7- рельсовая дорога для скипа; 8- скип; 9- фурма; 10- желоб для выпуска металла; 11- горн; 12- желоб для выпуска шлака Скипы разгружаются в печь через приёмную воронку и засыпной аппарат, установленный на колошнике. Воздух (дутьё) от воздуходувных машин подаётся в печь через воздухонагреватели (в которых нагревается до 1000-1200°С) и фурменные приборы, установленные по окружности горна. Через фурмы вводится также дополнительное топливо (природный газ, мазут или угольная пыль). Продукты плавки выпускаются в чугуновозные и шлаковые ковши через лётки, расположенные в нижней части горна. Образующийся в печи колошниковый газ отводится через газоотводы, расположенные в куполе печи (рис. 3). Расстояние между осью чугунной лётки и нижней кромкой большого загрузочного конуса в опущенном состоянии называется полезной высотой доменной печи, а соответствующий объём - полезным объёмом доменной печи. Мощные доменные печи в СССР имеют полезный объём 2000-3000 м3 и являются одними из крупнейших в мире. В 80-90-х годах в нашей стране были построены доменные печи объёмом 5000 м3. Основные химические процессы в доменной печи - горение топлива и восстановление Fe, Si, Mn и др. элементов. Часть кокса расходуется на процессы восстановления, но основное количество опускается в горн и сгорает вместе с вдуваемым топливом у фурм. Газы с Т 1600-2300°С, содержащие 35-45% CO, 1-12% H2 и 45-65% N2, поднимаясь по печи, нагревают опускающуюся шихту, при этом CO и H2 частично окисляются до CO2 и H2O. Газы, выходящие из печи, имеют Т 150-300°С. Шихта подаётся на колошник печи скипами, реже ленточными конвейерами. Горение у фурм. У фурм доменной печи возникают очаги горения, называемые окислительными зонами, в которых вихревое движение газов приводит к циркуляции кусков кокса. Горение кокса развивается на поверхности контакта твёрдой и газообразной фаз. При этом кислород соединяется с углеродом в сложные комплексы СхОу, которые затем распадаются. В упрощённом виде суммарный процесс горения углерода твёрдого топлива у фурм сводится к экзотермической реакции 2C + O2 = 2CO. При вдувании природного газа или мазута, в которых главной составляющей являются углеводороды (например, метан), протекает реакция с выделением CO и H2; при этом поглощается значительная часть тепла, выделяемого при сжигании С, а следовательно, понижается температура горения у фурм. Во избежание этого необходимо повышать температуру дутья и обогащать его кислородом. Положительное влияние вдувания углеводородных топлив - в повышении концентрации водорода в газе и улучшении благодаря этому его восстановительной способности. Восстановление железа и др. элементов. В доменной печи Cu, As, Р, подобно Fe, восстанавливаясь, почти полностью переходят в чугун. Полностью восстанавливается и Zn, который затем возгоняется, переходит в газы и отлагается в порах кладки, вызывая её разрушение. Те элементы, которые образуют более прочные соединения с кислородом, чем Fe, восстанавливаются частично или совсем не восстанавливаются: V восстанавливается на 75-90%, Mn на 40-75%, Si и Ti в небольших количествах, Al, Mg и Ca не восстанавливаются. Восстановление поступающих в доменную печь окислов Fe2O3 и Fe3O4 происходит путём последовательного отщепления кислорода по реакциям: 3Fe2O3 + CO (H2) = 2Fe3O4 + CO2 (H2O), Fe3O4 + CO (H2) = 3FeO + CO2 (H2O). Закись железа FeO восстанавливается до Fe газами (косвенное восстановление) и углеродом (прямое восстановление). FeO + CO (H2) = Fe + CO2 (H2O), FeO + C = Fe + CO. Высшие окислы марганца MnO2, Mn2O3 и Mn3O4 восстанавливаются газами с выделением тепла. В дальнейшем MnO восстанавливается до Mn только углеродом с затратой тепла примерно в 2 раза большей, чем при восстановлении Fe. Si также восстанавливается только С при высоких температурах по эндотермической реакции: SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO. Степень восстановления Si и Mn зависит в основном от расхода кокса; на каждый процент повышения содержания Si в чугуне расход кокса увеличивается на 5-7%, что увеличивает количество горячих газов в печи, вызывая перегрев шахты. Обогащение дутья кислородом, обеспечивая высокий нагрев горна, уменьшает количество образующихся газов, а, следовательно, и температуру в шахте печи. Сера в доменном процессе. S вносится в доменную печь в основном коксом и переходит в газы в виде паров (SO2, H2S и др.), но большая часть остаётся в шихте (в виде FeS и CaS); при этом FeS растворяется в чугуне. Для удаления S из чугуна необходимо перевести её в соединения, нерастворимые в чугуне, например в CaS: FeS + CaO = CaS + FeO. Это достигается образованием в доменной печи жидкоподвижных шлаков с повышенным содержанием СаО. Восстановительная среда благоприятно влияет на этот процесс, т.к. снижает содержание FeO в шлаке. Степень обессеривания достаточно высока, и только в некоторых случаях чугун дополнительно обессеривается вне доменной печи различными реагентами. Образование чугуна и шлака. Восстановленное в доменной печи Fe частично науглероживается в твёрдом, а затем в жидком состояниях. Содержание C в чугуне зависит от температуры чугуна и его состава. Шлак состоит из невосстановившихся окислов SiO2, Al2O3 и СаО (90-95%), MgO (2-10%), FeO (0,1-0,4%), MnO (0,3-3%), а также 1,5-2,5% S (главным образом в виде CaS). Для характеристики шлаков пользуются обычно показателем основности CaO/SiO2 или (СаО + MgO)/SiO2. Основность CaO/SiO2 для разных условий плавки колеблется в пределах 0,95-1,35%. При выплавке чугуна на коксе с повышенным содержанием S (донецкий кокс) работают на шлаках с верхним пределом основности и стремятся обеспечить содержание MgO в шлаке 6-8% и более, улучшая его жидкоподвижность. Характеристика и состав шлаков Шлаки - это искусственные силикаты. Они состоят из окислов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, марганца, серы и других. Эти же окислы содержатся в природных глубинных горных породах. В зависимости от количественного соотношения окислов, а также от условий и скорости охлаждения шлаковых расплавов шлаки могут иметь свойства гранита или вулканической пемзы. И по цвету шлаки близки к горным породам. Они могут быть иссиня-черными, снежно-белыми, зелеными, желтыми, розовыми, серыми. Нередко они имеют серебристые, перламутровые и сиреневые оттенки. Шлаки могут быть плотными и пористыми, тяжелыми, как базальт, и легкими как туф или ракушечник. Плотность шлака колеблется от 3200кг/м3 до 800 кг/м3. Удельный вес шлака, т.е. вес его вещества, близок к весу природных каменных материалов и составляет 2,5-3,6г/см3. По химическому составу доменные шлаки делятся на основные, нейтральные и кислые. К основным относятся шлаки с модулем основности (М=(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)), больше единицы, к кислым - меньше единицы. Примерный химический состав доменных шлаков следующий: SiO2-30-40%, CaO -30-50% Al2O3 -4-20%, MnO-0,5-2%, FeO-0,1-2%, SO3 -0,4-2,5% Основные шлаки позволяют удалять из металла вредные примеси - серу, фосфор, поэтому основной сталеплавильный процесс получил наибольшее распространение. Минералогический состав металлургических шлаков характеризуется наличием соединений с более низкой основностью, чем минералы портландцементного клинкера: меллилит Cа2AlSiO7-Ca2Mg(Si2O7), ларнит β-Ca2SiO4, ранкинит Ca3Si2O7, псевдоволластонит α-CaSiO3, анортит Ca2Al2(Si2O8), монтичеллит CaMgSiO4, диопсид CaMg(SiO3)2. Соотношение тех или иных минералов определяется не только химическим составом шлаков, но и условиями их охлаждения. Например, гранулированные шлаки состоят главным образом из стекла с кристаллическими включениями ларнита, меллилита. В отвальных шлаках преобладают кристаллы ларнита, ранкинита, псевдоволластонита, меллилита, а в высокоглиноземистых кислых - анортита, при повышенных содержаниях MgO - морвинита Ca3Mg(Si2O8), монтичеллита, диопсида. При производстве литейного чугуна в вагранках образуются в основном кислые шлаки, т.е. с большим содержанием кремнезема чем окисей кальция и магния. При медленном охлаждении в кислых шлаках выделяются минералы - пироксены, анортиты, мелилиты, рудные минералы; в них присутствует также алюмокремнеземистое стекло. При производстве чугунов определенного вида и постоянстве состава сырья для данного завода, а также при ровном ходе печи химический состав шлака остается сравнительно стабильным. Большинство доменных шлаков характеризуется основностью (CaO/SiО2) в пределах 1,0-1,2 и содержанием, %: MgO и А12О3 соответственно 3-20 и 5-15; S 0,5-3; Fe 0,1-1 и МnО 0,2-3. В жидких шлаках содержится некоторое количество растворенных газов. Температура шлака при выходе из доменной печи 1450-1550°С. При высоком нагреве печи основность шлака увеличивается в результате восстановления и перехода в чугун большего количества Si. При холодном ходе печи основность шлака снижается с уменьшением степени восстановления Si. Застывший основной шлак в изломе имеет светлую матовую камневидную поверхность. Количество FeO в нем при высоком нагреве печи резко уменьшается, железо почти полностью восстанавливается и переходит в чугун. В кислых и низкотемпературных шлаках содержится сравнительно много FeO. В изломе такой шлак блестящий, стекловидный, серого цвета с переходом в черный. При горячем ходе печи образуется жидкоподвижный шлак, при выпуске которого выделяется много газов. Зависимость от соотношения CaO/SiО2 В зависимости от соотношения CaO/SiО2 или (СаО + MgO)/SiО2 шлаки можно подразделить на основные (преимущественно на заводах Юга) и менее основные, характерные для предприятий Урала и Сибири. С применением в шихте доменных печей офлюсованного агломерата и переходом на выплавку чугунов с более низким содержанием Мn и S на заводах Юга произошло повышение основности конечных шлаков по CaO/SiО2 до 1,2-1,3 и по (СаО + MgO)/SiО2 до 1,3-1,35. Содержание Al2O3 и МnО в шлаках снизилось до 5,5-6,5 и 0,5-2,5 % соответственно, a MgO возросло до 3-5 %. Содержание SiО2 в шлаках уменьшилось в связи с изменением состава пустой породы криворожских руд и снижением удельного расхода кокса. Для сокращения формул окислов, присутствующих в шлаках, запись ведется по первым буквам окисла. Например, окислы кальция записываются как С, а кремния – S. При сопоставлении результатов испытаний шлаков с анализом хода кристаллизации по диаграммам состояния установлено, что если шлаки лежат в поле выпадения C2S первой фазы, то они подвержены силикатному распаду, а при наличии ~ 10 % МgО шлаки находятся преимущественно в области выделения мелилита и мервинита, однако это не исключает возможности выделения вторичного C2S. Шлаки, не содержащие C2S, не распадаются. Однако и распад шлаков с C2S не является неизбежным. Установлено, что шлак с первично выделившимся из расплава C2S распадается легче, чем шлак с C2S, выделившимся из остаточного расплава. Это объясняется тем, что выделившийся из остаточного расплава C2S стабилизируется большим содержанием примесей, чем первичный. Для проверки склонности к распаду и для вычисления критической величины СаОкр предлагаются следующие уравнения: СаО = 1,2 SiO2 + 0,4 Аl2O3 - 0,8 МgО + 1,75 Sкр СаО = 0,9 SiO2 + 0,6 Al2O3 + 1,75 Sкр Если СаО > СаОкр, то проводят микроскопические исследования. Распадающиеся шлаки должны иметь кристаллы неправильной формы с параллельными или пересекающимися штрихами. Стабилизировать шлак можно и химическим способом путем введения добавок, содержащих катионы Na+, C4+ , Р5+, Мо6+ , V5+, Сг3+ , Сr + , Fe2+ , С4+ , В3+ , К+ , Mn2+ , S6+. Экспериментально установлено, что медленно охлажденные шлаки со вторичным C2S стабильны, если в них введено не менее 1 % щелочи и фосфорного ангидрида. Шлаки с первичным C2S независимо от скорости охлаждения стабильны, если сумма этих добавок не менее 1,5 %. 6. Содержание металла в шлаках Со шлаками от производства марганцевых ферросплавов теряется значительное количество марганца. Как уже отмечалось, общие потери марганца в процессе производства сплавов составляют 31 %, с отвальными шлаками 22,2 %. По данным специальных исследований, потери металла со шлаками низкоуглеродистого феррохрома, получаемого по традиционной технологии, достигают 14,8 % от выхода металла за плавку. Причем основная доля металла (77,4 %) находится в шлаке в виде настылей («козлов») и скардовин крупнее 20 мм. Включения металла крупнее 20 мм практически не имеют округлой формы. Металл классов 20-4 мм примерно на 40 % состоит из скардовин и на 60 % из корольков, а частицы металла размером 4-0,1 мм полностью представлены корольками. Частицы крупностью менее 0,01 мм в основном неправильной формы и, по всей вероятности, являются продуктом распада закиси хрома по реакции 3 CrO = Cr + Cr2О3. Число таких частиц достигает 70-80 % от общего содержания металлических включений в классе 0,1-0 мм, но по объему не превышает 20 %. Потери невосстановленного хрома при среднем его содержании в шлаке 3,5 % (5,1 % Сг2О3) составляют 10,3 % от общего количества в продуктах плавки. В среднем его количество в 1,8 раза больше потерь хрома с металлом. Потери металла со шлаками ферро-силико-кальция вследствие разницы в их плотностях достигают 6-10 %, причем примерно половина его содержится во фракции крупнее 0,4 мм, выход которой составляет менее 10%. 7. Вязкостные характеристики шлаков При изучении вязкостных характеристик шлаков было обнаружено, что глинозем, когда он частично заменяет СаО, повышает вязкость шлаков, богатых СаО и SiO2, причем СаО является единственным компонентом, разжижающим смесь. Влияние глинозема на вязкость шлака становится все менее и менее выраженным по мере приближения к линии СаО/Аl2O3 = 1. Зависимость вязкости шлаков от состава достаточно полно изучена только для доменных шлаков. Особенности получения цветных металлов и свойства шлаков Цветные металлы – редкое явление на Земле и человек с давних времен использует цветные металлы. Для оценки содержания руд в том или ином месторождении используется понятие геохимического коэффициента, который есть отношение содержания того или иного элемента к кларку (это среднее содержание элемента в земной коре земного шара). Еще в 1900 г. критическими геохимическими коэффициентами, например, для меди считались руды с коэффициентом 2600. В конце 20 века критическим значением геохимического коэффициента для меди являлось 200. Для некоторых металлов содержание 0,5% (К=200) является вполне кондиционным. Западные страны считают кондиционным содержание 0,3-0,2%. Таким образом, при добыче руд цветных металлов и при первом переделе (получении концентрата) образуются твердые и газообразные отходы, больше твердые. Сами по себе твердые отходы первого передела токсичны, т.к. в большинстве своем имеют кремнезем и в лучшем случае оксиды металлов, чаще всего сульфиды металлов. После концентрирования руды поступают на дальнейшую переработку, как правило, многостадийную. Для получения цветных металлов используются термические, химические методы и хотя для термических методов используются концентраты, выход шлаков в цветной металлургии выше, чем в черной металлургии. Например, для черной металлургии выход шлаков составляет от 0,4 до 0,6 т на тонну. При выплавке меди: 10-30 т шлака на тонну. При выплавке никеля: 150-160 т шлака на тонну. Основной метод выплавки – термический (пирометаллургия). Пирометаллургическим способом получают основную часть Cu, Pb, Ni, Ti и др. важнейших металлов, а, кроме того, во многих технологических схемах пирометаллургические процессы сочетаются с гидро- и электрометаллургическими. Одной из первых операций выплавки является получение штейна. Штейн (нем. Stein, буквально - камень), промежуточный или побочный продукт в цветной металлургии, сплав сульфидов железа и цветных металлов переменного химического состава. Благодаря малой растворимости сульфидов цветных металлов в окисных расплавах, относительно низкой температуре их плавления (ниже 1100 °С) и большой плотности (более 4 г/см3) расплавленный штейн отделяется при плавке от шлака и образует отдельный слой, расположенный под ним. Штейн - основной продукт, в который переходят медь, никель и кобальт при плавке медного и никелевого сульфидного сырья и при некоторых технологических схемах переработки окисленных руд. Обычно штейн содержат 10-50% Cu и Ni, 15-25% S, остальное Fe. Другая группа процессов концентрирования основана на отделении металла в виде пара (или летучего соединения) от основной массы исходного материала, находящегося в твердом или жидком состоянии. Основные примеры: фьюминг-процесс - отгонка Pb, Zn, Cd, SnS и SnO при продувке жидких шлаков смесью воздуха с угольной пылью; вельц-процесс - отгонка Zn из смешанного с коксом дисперсного материала при температуре, исключающей плавление; хлорирование титановых шлаков, лопаритового и цирконового концентратов с получением летучих TiCl4, NbOCl3, TaCl5, ZrCl4. Составы шлаков цветной металлургии относятся к разным частям системы FeO-CaO-SiO2 со специфическими отличиями для каждого металла и, даже, типа руд. Общими характерными фазами являются фаялит, геденбергит, магнетит и стекло. В шлаках от выплавки меди почти не содержится СаО, и потому они на 85% состоят из фаялита, встречаются сульфиды и металлическая медь. По сравнению с ними шлаки от выплавки свинца и цинка отличаются более низким содержанием SiO2, но более высоким CaO и ZnO, с чем связано появление виллемита Zn2SiO4 и вхождение Zn в другие силикаты и сульфиды. В виде сульфидов в шлаке встречаются также Cu и Pb, а последний - и в виде металла. В связи со специфическим составом шлаков цветной металлургии общим перспективным направлением в решении проблемы их использования является принцип комплексной переработки, включающий три основные стадии: 1) предварительное извлечение цветных и редких металлов; 2) выделение железа; 3) использование силикатного остатка шлака для производства строительных материалов. Однако, как показывает практика, чаще всего переработка шлака заканчивается первой или второй стадией. 8. Переработка шлаков 8.1. Процессы деструкции шлаков в естественных условиях. Некоторые шлаки при охлаждении самопроизвольно распадаются. Для процессов переработки шлаков важным является выявление условий их распада, а также методов стабилизации структуры. В доменных шлаках возможны силикатный и сульфидный распады. Силикатный распад обусловлен наличием C2S в шлаке. В интервале температур от 0 до 1500°С существуют 5 кристаллических форм C2S. Распад шлака происходит при переходе С2 - S из С2-формы в S-форму с увеличением объема примерно на 12 %. Время и температура перехода (630 - 680°С) зависят от скорости охлаждения, размера зерен, давления, количества и вида примесей, механических нагрузок и степени стабилизации. 8.2. Методы расчета равновесных концентраций Для выявления возможности протекания тех или иных химических реакций привлекается различный аппарат, в том числе и термохимических реакций. Основные принципы термохимических реакций были изложены еще в XIX веке российским академиком Гессом: тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса. Пример: раствор Na2SO4 можно получить за счет химической реакции NaOH + H2SO4 двумя путями: 1.NaOH + H2SO4 = NaHSO4 + H2O + Q1 2. NaOH + H2SO4 = NaHSO4 + H2O + Q2/1 NaOH + NaHSO4 = Na2SO4 + H2O + Q2/2 Q1 = 131,4 kДж; Q2/1 = 61,7 kДж; Q2/2 = 69,7 kДж, отсюда следует, что сумма Q2/1 + Q2/2 = 131,4 kДж. Для твердых растворов, которые образуются, например, при получении черных металлов, термохимические реакции могут быть использованы для выявления возможных направлений реакции (привлекаемые термины: теплоты образования, стандартная теплота образования, устойчивость продуктов реакции относительно реагентов и наоборот и др.). Стандартная свободная энергия SF° – это энергия, которая необходима для реакции от столкновения (соударения) частиц, приведенная к стандартным выбранным параметрам: р = 1 атм, t = 25° C = 298 K. В российских аналогах вместо термина стандартная свободная энергия используется термин изобарный потенциал - ΔZ. По закону сохранения массы и вещества известно понятие константы скорости реакции: А + В = С + D К = [C]c·[D]d/[A]a·[B]b В общем случае для реакции типа aA + bB = cC + dD стандартная теплота образования (изобарный потенциал) рассчитывают по схеме в виде суммы стандартных теплот образования: SF°продуктов – SF°исходных веществ = DF°реакции Значения SF° берут из таблиц. Исследуя любую реакцию можно выяснить, является ли предложенные реагенты устойчивым веществом, если твердые вещества находятся в стандартном состоянии. Если DF°реакции отрицательна, т.е. если происходит выделение энергии, то продукты устойчивы относительно реагентов, если DF°реакции положительна, то устойчивы реагенты. При DF°реакции > 0 реакция маловероятна. Например, требуется определить величину стандартной теплоты образования реакции СО2 + С = 2 СО. В соответствии с равенством SF°продуктов – SF°исходных веществ = DF°реакции = - SF°СО2 – SF°С + 2 DF°СО = = - (- 94030) – 0 + 2(- 32792) = + 28446 кал/моль. Положительное значение DF°реакции означает, что реакция самопроизвольно не идет. * - для чистых веществ значение DF° равно 0. Стандартная свободная энергия реакции связана с константой равновесия равенством в котором К = [C]c·[D]d/[A]a·[B]b, R – газовая постоянная. Значение R равно 1,987 кал/град (0,001987 ккал/град), Т – абсолютная температура. Равновесие достигается тогда, когда изменение свободной энергии реакции равно нулю. Если в реакции участвуют только чистые твердые вещества, то эти вещества обладают активностью, равной 1. Тогда Акрист « Вкрист. DFреак = DF0реак +RTln(aв /aа) = DF0реак + RTln(1/1) = DFреак Если реакции идут в гетерогенной системе с участием газовой фазы и твердого вещества, то в константу равновесия вводится парциальное давление газовых компонентов. Например, для реакции FeO + CO2 = FeCO3 DF°Feco3 - DF°Feo - DF°CO2 = DF°реакции DF° = (-161,06) – (-58,4) – (-94,26) = - 8,4 ккал, - 8,4 = 0,001987∙298∙2,303 lgK; lg K = - 6,1 K = [FeCO3]/[FeO]·p (CO2) PCO2= 10-6 = 0,00000079 атм. = 0,000079% Парциальное давление СО2 в атмосфере Ратм = 0,05 % (10-3,3 атм.). Cледовательно, соединение FeO по отношению к сидериту неустойчиво. Реакция пойдет в направлении создания сидерита. Расчет является приближенным, т.к. необходима поправка не температуру Т. 8.3. Выбор направлений переработки На металлургическом заводе получают шлак, содержащий недоизвлеченные ценные компоненты и по действующей схеме направляемый в отвал, что отрицательно сказывается на экологическом состоянии окружающей среды. На 1-ом этапе анализируются причины и формы потерь, возникает идея создания нового (или модифицированного) процесса. На 2-ом этапе, цель которого - найти условия, при которых процесс принципиально возможен, проводятся термодинамические расчеты. 3-ий этап (обычно экспериментальный) отвечает на вопрос, может ли процесс идти с приемлемой для практики скоростью. На 4-ом этапе (чисто инженерном) подбирается или разрабатывается оборудование, в котором можно проводить процесс. По крайней мере, на первых трех этапах специалисты по технической петрологии могут оказать существенную помощь, используя петрографические методы исследования вещества, экспериментально (и частично, с помощью термодинамических расчетов) моделируя металлургические процессы. Изучение минерального и химического состава шлаков важно, прежде всего, для их утилизации, которая представляет серьезную экологическую проблему из-за громадных масштабов отходов металлургии. Вследствие низкого содержания ценных компонентов в сырье выход шлака в процессах цветной металлургии достигает 100-120% от массы руды (в черной металлургии - около 50%). Состав шлаков зависит от типа производства. По суммарному содержанию в них SiO2+Al2O3 выделяют кислые и основные шлаки с границей 40%. Кислотность шлака - отношение числа атомов кислорода, связанного с Si, Al, Ti, P, т.е. входящего в кислотные окислы, к числу атомов кислорода, связанного с Fe, Ca, Ba, Mg и др., т.е. образующему основные окислы. Преобладающие в основных доменных шлаках - мелилиты (твердый раствор геленита и окерманита) имеют формы коротких призм и таблиц с прямоугольными или квадратными сечениями, с серой или аномальной индигово-синей интерференционной окраской, часто с зональным строением, подчеркнутыми включениями стекла, сульфидов, двухкальциевого силиката. При быстром охлаждении они образуют скелетные конвертообразные и Х-образные формы. На них иногда нарастают удлиненные кристаллы псевдоволластонита и моноклинного пироксена. Ларнит при медленном охлажении шлака и содержании СаО выше 35% переходит в γ-Ca2SiO4, дающей волокнистые или призматические формы. Форстерит и монтичеллит характерны для составов шлаков, богатых MgO и бедных Al2O3. В марганцовистых шлаках кристаллизуются островные силикаты изоморфного ряда Mn2SiO4-Ca2SiO4, при значительном содержании серы - звездчатые агрегаты ольдгамита. Для кислых доменных шлаков характерно преобладание стекловидной фазы. Часты порфировые структуры с вкрапленниками мелилита. Псевдоволластонит образует тонкие игольчатые микролиты или сдвойникованные призматические кристаллы, волластонит - плеохроичные коричневые (за счет примеси Fe) иглы. Лекция 4. Многотоннажные отходы промышленности. Технология образования и методы извлечения полезных фракций 4.1. Твердые отходы теплоэнергетики: краткая характеристика, физические и химические показатели. Методы извлечения глинозема из отходов теплоэнергетики 4.1.1. Виды топлива: происхождение и основные характеристики каменного угля Угольные запасы рассредоточены по всему миру. Землю опоясывают две богатые угольные зоны. Одна простирается через страны бывшего СССР, через Китай, Северную Америку до Центральной Европы. Другая, более узкая и менее богатая, идет от Южной Бразилии через Южную Африку в Восточную Австралию. Наиболее значительные залежи каменного угля находятся в странах бывшего СССР, США и Китае. Каменный уголь доминирует на западе Европы. Главные каменноугольные бассейны в Евразии: Южный Уэльс, Валансьен-Льеж, Саарско-Лотаргинский, Рурский, Астурийский, Кизеловский, Донецкий, Таймырский, Тунгусский, Южно-Якутский, Фуньшуньский; в Африке: Джерада, Абадла, Энугу, Уанки, Витбанк; в Австралии: Большая Синклиналь, Новый Южный Уэльс; в Северной Америке: Грин-Ривер, Юннта, Сан-Хуан-Ривер, Западный, Иллинойский, Аппалачский, Сабинас, Техасский, Пенсильванский; в Южной Америке: Караре, Хунин, Санта-Катарина, Консепсьон. На Украине следует отметить Львовско-Волынский бассейн и богатый месторождениями Донбасс. Уголь – это остатки растений, погибших многие миллионы лет назад, гниение которых было прервано в результате прекращения доступа воздуха. Поэтому они не смогли отдать в атмосферу отобранный у нее углерод. Доступ воздуха прекращался особенно резко там, где болота и заболоченные леса опускались в результате тектонических подвижек и изменения климатических условий и покрывались сверху другими веществами. При этом растительные останки превращались под воздействием бактерий и грибов (углефицировались) в торф и дальше в бурый уголь, каменный уголь, антрацит и графит. По составу основного компонента – органического вещества угли подразделяются на три генетические группы: гумолиты, сапропелиты, сапрогумолиты. В результате длительного воздействия повышенных температур глубоких горизонтов и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние – в антрациты. Необратимый процесс постепенного изменения химического состава, физических и технологических свойств органического вещества на стадии превращения от бурых углей до антрацитов носит название метаморфизма углей. Структурно-молекулярная перестройка органического вещества при метаморфизме сопровождается последовательным повышением в угле относительного содержания углерода, снижением содержания кислорода, выхода летучих веществ; изменяются содержание водорода, теплота сгорания, твердость, плотность, хрупкость, оптичность, электричность и др. физические свойства. Каменные угли на средних стадиях метаморфизма приобретают спекающие свойства – способность гелифицированных и липоидных компонентов органического вещества переходить при нагревании в определенных условиях в пластическое состояние и образовывать пористый монолит – кокс. Получение кокса осуществляется на коксохимических заводах. Каменный уголь подвергается сухой перегонке (коксованию) путём нагревания в специальных коксовых печах без доступа воздуха до температуры С. При этом получается кокс – твердое пористое вещество. Кроме кокса при сухой перегонке каменного угля образуются также летучие продукты, при охлаждении которых до 25-75 С образуется каменноугольная смола, аммиачная вода и газообразные продукты. Каменноугольная смола подвергается фракционной перегонке, в результате чего получают несколько фракций: • легкое масло (температура кипения до 170 С) в нем содержится ароматические углеводороды (бензол, толуол, кислоты и др. вещества; • среднее масло (температура кипения 170-230 С). Это фенолы, нафталин; • тяжелое масло ( температура кипения 230-270 С). Это нафталин и его гомологи • антраценовое масло – антрацен, фенатрен и др. В состав газообразных продуктов (коксового газа) входят бензол, толуол, ксиолы, фенол, аммиак и другие вещества. Из коксового газа после очистки от аммиака, сероводорода и цианистых соединений извлекают сырой бензол, из которого выделяют отдельные углеводороды и ряд других ценных веществ. Угольная, коксохимическая промышленность, отрасли тяжелой промышленности осуществляют переработку каменного угля методом коксования. Коксование- промышленный метод переработки угля путем нагревания до 950-10500 С без доступа воздуха. Основными коксохимическими продуктами являются: коксовый газ, продукты переработки сырого бензола, каменноугольной смолы, аммиака. 4.1.2. Отходы теплоэнергетики В качестве энергетического топлива используют бурые угли и антрациты. Отходы от сжигания высокозольных бурых углей составляют многие миллионы тонн ежегодно. Сжигание твердого топлива осуществляется в котлах путем вдувания в топку угольной массы через форсунки. Зола-уноса, улавливаемая в электрофильтрах пыль, является одним из самых популярных объектов исследования. Зола-уноса транспортируется в отвалы через пульпопроводы. Для наиболее рационального решения вопроса утилизации золошлаков ТЭС необходимо знать их свойства, которые зависят от вида, марки угля, от топочного режима на ТЭС, а также от места отбора золы на пути прохождения дымовых газов. Как следствие этого, химическая природа, физические, а, следовательно, и технические свойства тех или иных зол могут быть различны. Золы от сжигания одного и того же вида угля часто характеризуются различными показателями химического состава и физических свойств. В зависимости от вида сжигаемого угля (антрацит, каменный, бурый) дисперсность, плотность, форма, цвет частиц золы, а также содержание окислов колеблется в больших пределах. 4.1.3. Физико-химические свойства золы-уноса Зола уноса представляет собой смесь частиц малой формы, которые часто называют микросферами. Золы уноса, образующиеся при сжигании бурых углей имеют колебания в химическом составе (в %): SiO2 – 20 … 40; Al2O3 – 8 … 11; Fe2O3 – 10 … 15; TiO2 – 0,6 … 0,8; CaO (общ.) – 25 … 50; CaO (своб.) – 2 … 13; MgO – 2 … 4; SO3 – 1 … 3; щелочи – до 2 %. Из минералов, способных к гидратации и твердению, в золах присутствуют СаО, СаО . Al2О3, 3СаО . Al2О3, β-СаО . SiО2, MgО, 4СаО . Al2О3 . Fe2О3. Минералогический состав золы всех проб по каждой ТЭС представлен в основном аморфизованным глинистым веществом, стеклом бесцветным и окрашенным, остатками угля и кристаллической фазой в виде кварца, муллита, магнезита и изредка полевого шпата. По показателю потерь в массе при прокаливании золы, условно характеризующего содержание остатков горючего, отмечаются значительные колебания по различным пробам золы по каждой станции в пределах от 7 до 15 %. 4.1.4. Направления использования золоотходов Золоотвалы требуют огромных затрат на содержание. Доля затрат на мокрую транспортировку отходов на золоотвал и его обслуживание составляет десятки % в себестоимости собственно конечных продуктов ТЭС - электроэнергии и тепла. Однако многочисленные разработки по утилизации золы уноса не дали и не могли дать никакого положительного эффекта (только отрицательный из-за огромных затрат на исследования). Этому есть целый ряд причин: 1. В бывшем СССР этой проблемой монопольно занималась строительная наука, а также энергетики, которые по роду своих занятий не могли решить сложную междисциплинарную проблему; 2. Проблема носит комплексный характер, любые частные решения обречены на неудачу из-за огромных масс отходов и проблем с транспортировкой; 3. Без рыночных отношений и соответствующей инфраструктуры попытки решения проблемы утилизации золы имели чисто волюнтаристский характер; 4. Зола уноса - типичная гетерогенная смесь, все попытки ее использования в производстве строительных материалов как целого обречена на неудачу из-за нестабильного состава и компонентов различного применения; 5. На мировом рынке отсутствует по сей день эффективная техника для сепарации многотоннажных тонких гетерогенных смесей - обычная техника типа центробежных классификаторов требует улавливания тонкой пыли на выходе, а это технически и экономически невозможно при известных принципах; 6. Высокое содержание оксида кальция ограничивает основную область утилизации золы уноса - бетонные и штукатурные растворы, то же время низкая активность гидратации зерен свободного оксида кальция приводит к локальному увеличению объема внутри затвердевшего камня, появлению внутренних напряжений и его разрушению изнутри. Основная масса золы (40-50%) идет в зольный бетон марки 200 (малая добавка цемента стабилизирует нижнюю границу прочности). Главную проблему составляет утилизация основной массы золы. Дешевый бетон на основе механически активированного зольного вяжущего материала обладает рядом особенностей. В первую очередь отмечается медленный набор прочности в первые дни после затворения, а также необходимость использования через 2-7 суток после активации и добавки раствора хлорида кальция для химической активации стекол и связывания сульфата кальция. Важным этапом на пути использования зольного и шлакового сырья является его классификация, в основу которой положены наиболее характерные критерии качества материала: • модуль основности (гидравлический модуль) – Мо; • силикатный (кремнеземистый) модуль – Мс; • коэффициент качества (гидравлическая активность) – К. Модуль основности (гидравлический модуль) представляет собой отношение содержания оснóвных оксидов к сумме кислотных оксидов. При МО > 1 золошлаки – основные и обладают вяжущими свойствами; при МО < 1 золошлаки – кислые, могут служить гидравлической добавкой. Для учета влияния щелочных компонентов в формулу модуля оснóвности включены оксиды натрия и калия. Силикатный (кремнеземистый) модуль показывает отношение количества оксида кремния, вступающего в реакцию с другими оксидами, к суммарному содержанию оксидов алюминия и железа. Физический смысл силикатного модуля состоит в следующем. Силикатный модуль, являясь соотношением SiO2 (необходимым для образования С2S и С3S) к Al2O3 + Fe2O3 (необходимых для образования C3A и С4АF), пропорционален, таким образом, отношению минералов (силикатов) к минералам (плавням). Разработаны нормативные документы, регламентирующие использование золошлаков для производства ряда эффективных строительных материалов и в строительстве, а именно: – Добавка к цементу, не снижающая активности материала. – Компонент строительных бетонов и растворов. – Приготовление специальных бетонов (пенозолобетон, газозолобетон и др.). – Изготовление легких заполнителей для бетонов (пористый материал типа керамзита, аглопорита и т.п.). – Получение самостоятельного вяжущего материала. – Для дорожного строительства (наполнитель углеводородных вяжущих веществ, подготовка под покрытия и т.п.). – В качестве сырья для химической промышленности (получение из зол Al2O3, Fe2O3, TiO2, K2O, Na2O, P2O5, U3O3, V и Ge. – Добавка к глине при изготовлении кирпича, черепицы и т.д. Кроме того, золы уноса используются в сельском хозяйстве как удобрение; в литейном производстве; обработанные силикагелем – для удаления с поверхности воды мазута или остатков кислот; для быстрого высушивания шламов. 4.2. Стекло и отходы стекла. Методы извлечения из смеси отходов и переработки. Твердые отходы машиностроения и гальванопроизводства: основные характеристики и свойства. Совместное использование отходов стекла, гальваношламов в производстве керамических изделий. 4.2.1. Процесс переработки стекла во вторичное сырье заключается в дроблении исходного материала (стеклобой, стеклянные бутылки) до получения осколков размером не превышающих 5х5 мм. Обычно процесс дробления происходит в несколько этапов. На первом этапе, после сортировки, стекло бьется в специальной дробилке до размера ~ 30х30 мм. Далее полученный стеклобой поступает по линии в следующую дробилку. В результате, на выходе получаются фрагменты нужного размера, пригодные для использования в качестве вторсырья в стеклянной промышленности. 4.2.2. Компоненты и сырье Используются, в основном, силикаты следующих металлов: калия, кальция, бария, свинца и алюминия. Обычно эти металлы вводятся не в виде силикатов, а в виде карбонатов, сульфатов или оксидов, которые реагируют при высокой температуре (примерно 1460°С) с кварцевым песком (диоксидом кремния) с образованием силикатов. Для прозрачного стекла используются карбонаты натрия и кальция. В отличие от карбоната кальция (встречающегося в виде мела и мрамора), карбонат натрия приходится получать из извести и хлорида натрия путем добавления аммиака: поэтому карбонат натрия - самый дорогой компонент в производстве стекла. В качестве оксидов неметаллов используются, в основном, диоксид кремния (песок) и сесквиоксид бора. Кварц - чистый диоксид кремния. В табл. 1 приведено относительное содержание различных компонентов в некоторых стеклянных продуктах. Песок используется всегда, а другие компоненты влияют на физические и химические свойства стекла: силикаты кальция, натрия и калия снижают температуру размягчения; присутствие окиси бария увеличивает показатель преломления и химическую инертность. Добавление соединений свинца в расплав улучшает преломляющую способность и блеск (хрусталь); соединения бора, даже в ничтожных концентрациях, существенно уменьшают коэффициент линейного расширения стекла. Среди стеклообразных продуктов, кварц имеет самый низкий коэффициент линейного расширения (5-10-7 К-1 вместо 33-10-7 и 90-10-7 К-1 в случае йенского и натриевого стекла, соответственно). Основные компоненты (в %) стеклянных продуктов Таблица 1 Компоненты Оксиды неметаллов Оксиды металлов Другие SiO2 B2O6 CaO Na2O K2O Al2O3 PbO Стеклянные продукты: Кварцевое стекло 100 Стекло для тары Натриевое стекло (Богемское стекло) 76 - 7 3 14 - - - Желто-зеленое стекло (бутылочное стекло) 65 - 10 12 3 6 - 2Fe2O3 2BaO Голубовато-зеленое стекло (бутылочное стекло) 65 - 10 12 3 6 - 2Fe2O3 2BaO Зеленое стекло (бутылочное стекло) 68 - 10 12 6 - - 1Cr2O3 3BaO Коричневое стекло (пивные бутылки) 64 - 10 12 3 6 - 1Fe2O3 3C Свинцовое стекло 65 - 2 - 15 - 18 Плоское Стекло: оконное 73 - 10 13 1 1 - 2MgO Стекло для лабораторной посуды: тюрингское йенское пирекс 70 74 81 - 5 11 8 1 1 12 8 5 6 - - 4 8 2 - - - - 4BaO - При высокой температуре карбонаты превращаются в оксиды, которые реагируют с песком с образованием силикатов. Например, в случае карбоната кальция протекают следующие реакции: Разложение карбонатов сопровождается выделением углекислого газа, которое способствует хорошему перемешиванию расплава. С выделением СО2 связана убыль массы по сравнению с исходным сырьем: в случае карбоната кальция она составляет 44%, а в случае карбоната натрия - 42%. Газообразные продукты сгорания (Н2О, СО2 и др.) удаляются через трубу в атмосферу. Жидкое стекло выливается в ванну с расплавленным оловом, причем стеклянная масса из-за меньшей плотности образует верхний слой. Поверхность на границе раздела двух жидких сред получается практически ровной, что позволяет почти полностью исключить оптические искажения в будущем листе стекла. Отсюда название, полированное стекло. После того, как жидкое стекло равномерно распределится по поверхности олова, его постепенно охлаждают до полного отвердевания. Затем полученная стеклянная лента нарезается на листы нужного размера и упаковывается в тару. 4.3. Отходы гальванопроизводства 4.3.1. Общие сведения Гальванопроизводство используется для нанесения покрытий на поверхности черных металлов и их сплавов, на поверхности цветных металлов и их сплавов При производстве машиностроительной продукции часто применяется нанесение гальванических покрытий. Коррозия металлов, т.е. разрушение их вследствие электрохимического или химического воздействия среды, причиняет огромный ущерб. Ежегодно вследствие коррозии выходит из потребления до 15 % годового выпуска металла в виде ценных деталей и конструкций, сложных приборов и машин. В отдельных случаях коррозия приводит к авариям. Гальванические покрытия являются одним из эффективных методов защиты от коррозии, они также широко применяются для придания поверхности деталей целого ряда ценных специальных свойств: повышения твердости и износостойкости, высокой отражательной способности, улучшения антифрикционных свойств, поверхностной электропроводности, облегчения паяемости и просто для улучшения внешнего вида деталей. В технологических процессах нанесения гальванических покрытий операции подготовки поверхности к покрытию являются основой, определяющей, качество защиты деталей. Основными процессами нанесения покрытий являются: хромирование, меднение, цинкование, оксидирование, анодирование и фосфатирование. Пассивирование - обработка поверхности травленных деталей растворами окислителей для предохранения от коррозии. Таким образом, можно сделать вывод, что каждый процесс включает в себя определенный набор операций. 4.3.2. Пути решения проблемы для извлечения полезных компонентов 1. Разработка региональных схем управления технологии отработки сточных вод, сбора и концентрации осадков на перерабатывающем предприятии. 2. На предприятиях обрабатывающих 100-1000 м3 надо создать локальные очистные сооружения. 3. При расходах до нескольких 100 м3/неделю целесообразно иметь емкости для временного хранения осадков без их обработки. Емкости периодически специальной техникой освобождаются и сточные воды поступают на крупные станции нейтрализации. Осадки станции нейтрализации могут обрабатываться на предмет извлечения из них полезных продуктов. Для этого прибегают к классификации. Классификация полидисперсных продуктов минимальных зерен может проводиться в воде, в водных растворах, в воздухе, на специальных концентрационных столах. Наибольшее распространение получила гидравлическая классификация. При этом классификация производится по крупности зерен, по плотности вещества зерна, по скорости движения зерна в той или иной среде. Довольно часто используют классификацию в стесненных условиях. Лекция 5. Магнитная и электрическая сепарация твердых отходов. Классификация материалов по магнитной восприимчивости. Магнитная сепарация. Электрическая и электромагнитная сепарация 5.1. Магнитные свойства материалов. Из физики известно, что молекулы вещества обладают особыми магнитными свойствами. Однако в большинстве случаев магнитные диполи располагаются хаотично, беспорядочно и результирующее значение магнитного поля, если к веществу не прилагается внешнее магнитное воздействие, не проявляет своих свойств. Тем не менее, магнитный момент в общем случае записывается как сумма магнитных моментов диполей. Интенсивность магнитного проявления магнитного воздействия оценивает соотношение магнитного момента к объему вещества или напряженность магнитного поля. I = = c H ; M = Smi X = d c , где: c – объемная магнитная восприимчивость в долях единиц, H – напряженность магнитного поля (А/м), X – удельная магнитная восприимчивость, отнесенная к массе вещества. Выражение для индукции B: B = m0H + m0I = m0 (1 + c H) = m0mH Вещества по своим магнитным свойствам делятся на диамагнетики и парамагнетики. Диамагнетики: ртуть, фосфор, сера, золото, серебро, медь. Под действием внешнего магнитного поля индуцируют противоположное магнитное поле и таким образом внешне ведут себя инертно. Парамагнетики. Могут себя проявлять в большей или меньшей степени, ориентируя диполи по направлению внешнего поля и проявляя при этом некоторые результирующие силы. Соединения железа, кобальта, никеля, сплавы железа с магнием, молибденом, барием по схеме: Me . Fe2O3 - проявляют себя своеобразно. Ориентируя диполи, они могут сохранять электрические свойства или изменять их под действием температуры, трения и некоторых других физических характеристик. В слабых полях с возрастанием напряженности внешнего поля Н индукция В в ферромагнетике вначале резко возрастает вплоть до насыщения, далее изменяется медленно, как в обычном парамагнетике; соответственно m вначале возрастает быстро, достигая максимума, затем уменьшается и в очень сильных полях приближается к значению m = 1. Аналогично изменяется и магнитная восприимчивость. При снижении Н до нуля ферромагнетик остается намагниченным, с остаточной магнитной индукцией Br. Для его полного размагничивания необходимо создать внешнее магнитное поле противоположной полярности напряженностью Нс. Фигура, описывающая процесс намагничивания и перемагничивания (кривые А.Г. Столетова), описывает работу, которую совершают диполи. Некоторые значения Hc носят название коэрцитивной силы. Явление отставания магнитной индукции от напряженности – гистерезис. По площади фигуры петли гистерезиса можно классифицировать парамагнетики с учетом параметров внешней среды: напряженности внешнего магнитного поля, температуры, плотности среды и основные технологические задачи сводятся к выбору параметров внешней среды, параметров магнита, возможности применения электромагнитов и сочетания полюсов в сепараторе. Парамагнетики (железо, кобальт, никель), являясь веществами с нескомпенсированным магнитным моментом, под действием внешнего магнитного поля и при определенных температурах могут сформировать так называемую параллельную намагниченность и проявлять ее достаточно долго, и в этом случае вещество называется ферромагнетиком. Соли этих же веществ – галлоидные соединения, проявляют эффект слабой ориентации. Методы определения магнитных свойств. Метод Фарадея. Для проведения предварительного разделения, извлечения сильных ферромагнетиков Фарадей предложил в магнитном поле помещать небольшой сосуд с исследуемым веществом. В этом случае сила тяжести несколько увеличивается. По разности сил тяжести можно установить магнитные характеристики вещества. По результатам экспериментов определяется значение m и проводится классификация. Кажущееся увеличение силы, проявляющееся в виде механической силы, являющееся следствием проявления магнитных свойств, поэтому метод, предложенный Фарадеем, иногда называют пондеромоторным. Технологические аспекты обогащения материалов. Технологически используется либо принцип притягивания, либо принцип отклонения и принцип извлечения. Чаще всего используют конвейер с вмонтированным внутрисбрасывающего барабана магнитом. За счет налипания частиц к барабану эти частицы задерживаются. Как результат намагниченные и ненамагниченные частицы попадают в разные части бункера. Конструктивные решения во многом зависят от способа разделения вещества. Если речь идет об отклонении, конструктивно схема изменяется таким образом, что исходное вещество поступает вертикально по касательной к магниту. Это применяется достаточно редко, т.к. для большинства минералов парамагнетические свойства проявляются слабо и угол отклонения оценивается несколькими градусами. Нередко вещества, разделяясь на классы, загрязняются сростками, что приводит к необходимости повторных операций. Магнитовосприимчивые вещества могут длительно удерживаться на ленте конвейера (метод удержания). В этом случае применяются методы с использованием магнитного барабана, но магнит разворачивается в нижнюю часть барабана. Рис. 1. Схема размещения постоянных магнитов в барабане Поток вещества представляет, как правило, смесь полезных продуктов с инертным материалом, смесь зерен различной крупности. В движущемся потоке проявляются адгезионные силы, проявляются элементы слеживаемости из-за чего эффективная классификация только магнитными методами затруднена. Для повышения эффективности извлечения магнитосодержащих веществ конструкторы прибегают к сочетанию различных полюсов постоянных магнитов или сочетанию различных полюсов электромагнитов. При движении частицы в смеси под действием разнополярности происходит нарушение плотности слоя, возникает импульсное перемещение частиц и лучшая ориентация частиц в пространстве. Сочетанием магнитов, встроенных в барабаны (постоянные магниты) и электромагнитов добиваются возникновения импульса магнитной напряженности в точке сброса вещества, когда целостность слоя нарушается. Рис. 2. Схема магнитной головки с чередованием полюсов Импульс магнитной напряженности приводит к резкому росту пондеромоторных сил и выбросу частицы из потока. 5.2. Электрические методы обогащения и извлечения Электрические методы извлечения полезных, токсичных веществ и элементов базируются на свойстве веществ изменять свои характеристики в электрическом поле. Электрические свойства веществ используются для извлечения путем изменения электропроводности, путем нагрева веществ в электрическом поле, путем контакта с другими телами, путем создания так называемого бегущего поля. При этом используется электропроводность, диэлектрическая проницаемость, трибоэлектрический эффект (электризация трением), пироэлектрический эффект, пьезоэлектрический эффект и униполярная проводимость. Униполярная проводимость (эффект направленности электрического поля неравномерной по плоскостям кристаллической решетки) отмечается у многих минералов. Например, у минералов, содержащих алюминий, отличие составляет примерно 4000 раз. В связи с разнообразием электрических свойств многих веществ применяются различные виды сепараторов, например, барабанные, камерные, каскадные, пластинчатые, трубчатые, ленточные. Частицы в электрическом поле могут заряжаться путем ионизации (создание коронного заряда), трением, индукцией, нагревом и комбинацией этих способов. Чаще всего используется электростатический метод и в зависимости от крупности частиц используется коронный разряд, диэлектрические свойства, а также сочетание коронно-электрического метода, коронно-магнитного метода, используется отдельно или в сочетании заряжение частиц трением, используются адгезионные свойства. Из физики известно, что при воздействии зарядов друг на друга возникает, так называемая, кулонова сила. где Е1, Е2 – заряды частиц, r – расстояние между ними, k – коэффициент пропорциональности. Если одна частица имеет заряд намного больший заряда другой, то построение силовых линий может быть выполнено по принципу гидродинамической сетки, разность зарядов покажет некоторую деформацию гидродинамической сетки и решать задачу можно будет графическими методами определения количественных и качественных характеристик поведения малой частицы в электрическом поле большого заряда. Для описания некоторых процессов используется метод зеркального отображения. При введении токопроводящих частиц в электрическое поле в частице происходит распределение положительных и отрицательных зарядов и образуется собственный электрический ток. При введении нетокопроводящих диэлектрических материалов на поверхности материала возникают заряды, имеющие знак противоположно направленный знаку электрода. Молекулы в зависимости от свойств материала могут ориентироваться либо в непосредственной близости, либо по всему материалу диэлектрика. Но и в том, и в другом случае в самом материале частицы устанавливается электрическое равновесие. Установление электрического равновесия не означает наступление равновесия в комплексе сил, воздействующих на частицу. Под действием электрического поля возникают пондеромоторные силы, т.е. механические силы, обусловленные проявлением электрических сил. Пондеромоторные силы могут преодолевать упругие связи среды, в результате чего частица может отклоняться в своей траектории. Пондеромоторная сила определяется по формуле: где e1 – диэлектрическая проницаемость Среды e2 – диэлектрическая проницаемость частицы r – радиус частицы Е – напряженность электрического поля - градиент изменения напряженности по какому-либо направлению dх При e1 > e2 пондеромоторная сила приобретает отрицательное значение и частица выталкивается из электрического поля в сторону слабого поля. Так как средой для разделения чаще всего служит воздух, то e1 принимается равным единице. Во многих исследовательских работах рассматриваются модели взаимодействия кулоновой силы и пондеромоторной силы и абсолютное большинство исследователей доказывают, что кулоновые силы значительно превышают пондеромоторные и делается ошибочный вывод о малой перспективности метода. 5.3. Электрические сепараторы. Первые электрические сепараторы довольно просты по своей конструкции. Они предполагали наличие барабанного электрода, имеющего положительный заряд на поверхности барабана. В этом случае частицы – диэлектрики на своей поверхности создавали отрицательные заряды и удерживались на поверхности барабана. В проводниках практически мгновенно образуются положительно заряженные частицы и происходит отталкивание от барабана. Однако лабораторные испытания показали, что барабан довольно быстро обрастает слоем диэлектрика. Пондеромоторные силы оказываются недостаточными для увеличения угла отклонения a, поэтому в последующих моделях сепараторов прибегли к дополнительному электроду с противоположным знаком. Угол a значительно увеличился, повысился эффект разделения, эффект очистки. Но загрязнение поверхности барабана продолжает оставаться серьезной проблемой таких сепараторов. Рис. 2. Схема электросепаратора Одним из конструктивных приемов является использование ионизатора, в качестве которого применяют лезвия, острие иглы и тому подобные конструкции. При использовании острых оконечностей ионизаторов вместо положительно заряженного барабана приводит к тому, что проводники, получая заряд в отклоняющем поле второго электрода, занимают положение в пространстве и поступают в бункер-накопитель. Но остается проблема обрастания электрода диэлектриками, мелкими частицами вещества, в т.ч. и проводящего, что значительно снижает эффект разделения. Конструкторская мысль бьется вокруг обязательной защиты электрода-ионизатора, например, колпаком из непроводящих материалов, из материала со слабо адгезионными свойствами и комбинацией электрических и механических систем, обеспечивающих быстрое очищение электрода. Лекция 6. Отходы картона и бумаги. Аэросепарация. Методы переработки и технические условия. Вибросепарация как способ обогащения полезных фракций отходов 6.1. Процессы приготовления пульпы Приготовление пульпы из подходящей жесткой древесины или мягкой древесины хвойных деревьев может быть осуществлено механическим методом, химическим методом или их сочетанием. Все пульпы можно использовать как отбеленными, так и неотбеленными. «Механическую пульпу» производят, отобрав бревна мягкой древесины, в основном, сосны, и ободрав кору, путем истирания на вращающихся точилах с большим избытком воды. Эта механическая пульпа представляет собой взвесь древесных волокон в воде (бумажная пульпа); это главное сырье для газетной бумаги. Кроме целлюлозы (50% от веса древесины) в ней содержится также лигнин (30% от веса древесины). Этот натуральный связывающий агент является причиной пожелтения газетной бумаги под действием света и кислорода. «Химическую пульпу» изготовляют из древесины, которую предварительно измельчают и затем подвергают воздействию химических веществ при высокой температуре. Компоненты, кроме целлюлозы (в основном, лигнин), при этом растворяются. В сульфитном процессе деревянные щепки обрабатываются гидросульфитом кальция, при этом сохраняется белизна целлюлозы. В сульфатном процессе применяется водный раствор гидроксида натрия (а также гидроксида кальция и других щелочей). Этот метод дает пульпу, окрашенную в коричневый цвет, и ее обесцвечивание требует отбеливания. В смешанном или полухимическом процессе древесные щепки, обычно из бука или березы, обрабатываются как химическими веществами, так и путем механического истирания. «Полухимические пульпы». как правило, используются при изготовлении ячеистой среды для гофрокартона. Следующей стадией процесса является разбивание пульпы с целью увеличения способности к связыванию волокон. При этом происходит расщепление волокон целлюлозы по их длине на массу тонких фибрилл, которые обеспечивают эффективное сцепление волокон. Этот процесс называется «фибрилляция». Чем выше достигнутая степень фибрилляции, тем прочнее бумага. Различные пульпы отличаются по своей реакции на эту обработку: волокна мягкой древесины разбиваются гораздо лучше, чем волокна жесткой древесины или соломы. Поэтому из мягкой древесины получается более прочная бумага. При разбивании также расчленяются узлы и комки на отдельные волокна. Искусство разбивания пульпы заключается в достижении максимальной фибрилляции при минимальном измельчении волокон; это обеспечивает желаемые свойства окончательного продукта. На этой стадии - в зависимости от желаемого качества бумаги - в пульпу могут быть добавлены: утилизированная (не исписанная чернилами и, при необходимости, предварительно обработанная) бумага, наполнители (основными из которых являются глинозем, диоксид титана, сульфат бария (бланфикс), мел и тальк) и связующие (клей, воск). Образовавшаяся хорошо перемешанная разбавленная суспензия волокон в воде затем вытекает через щель на широкую ленту конвейера из очень мелкой сетки, движущуюся с высокой скоростью (до 60 км/час). Под действием низкого давления под сеткой вода отсасывается из пульпы, в то время как волокна с наполнителями и связующими остаются на сетке. В результате образуется влажное, но компактное полотно, которое затем прессуется, сушится и глазируется, проходя ряд каландров в сушильной секции машины. В конце процесса бумага технически скручивается в рулон. На современном оборудовании получаются рулоны шириной до 8 метров, они затем разрезаются до рулонов желаемых размеров или на листы для производства упаковки. Сегодня бумажные пакеты изготавливаются на полностью автоматизированных установках: с помощью компьютерных устройств осуществляется дистанционное управление последовательными операциями: разрезки, фальцовки, формования, наполнения и запечатывания, обеспечивая должное постоянство веса и качества. Типичный состав бумаг для газет и журналов можно представить следующим образом: Таблица 1 Материал Газеты(%) Журналы (%) Древесная пульпа (бумажный утиль) 70 52 Химическая пульпа 17 17 Наполнители и связующие 5 25 Вода 8 6 Для приготовления бумаг, предназначенных для упаковки пищевых продуктов, механические пульпы не используются, а применяются более очищенные материалы, такие как сульфитная и сульфатная пульпы. При изготовлении картона на конвейер откладывается несколько слоев пульпы до достижения требуемой толщины. Методы обработки волокон при этом остаются в сущности теми же, что и при изготовлении бумаги. Однако после формирования полотна методы удаления воды, прессования и сушки, оставаясь принципиально сходными, могут различаться в деталях в зависимости от используемого способа. Гофрированные бумага и картон отличаются от обычных бумаги и картона в следующем отношении: гофрокартон состоит из двух параллельных полотен (облицовок), склеенных с ячеистым или гофрированным полотном между ними. Материалы для этих слоев могут различаться по плотности и типу бумаги или картона, различной может быть и конфигурация ячеистой среды. Использование этого типа структуры существенно повышает жесткость и изолирующую способность конечного продукта.- 6.2. Регенерация и утилизация бумаги Поскольку основным компонентом бумаги и картона являются волокна, использованную бумагу или бумажный утиль можно подвергнуть повторной переработке (рециклу). Отходы свежей чистой незапечатанной бумаги, образующиеся в производстве бумаги, могут быть непосредственно добавлены в пульпу. Однако запечатанная бумага (газетная, журнальная) должна сначала пройти предварительную обработку для удаления печатной краски и элементов переплета и брошюровки: пластиковых колец, скрепок и т.д. В отличие от стекла, бумагу и картон нельзя подвергать рециклу произвольное число раз: волокна целлюлозы разрушаются при использовании, в производственных процессах и при удалении краски; укороченные волокна настолько уменьшаются в длине, что проходят сквозь сетку. Для поддержания качества бумаги или картона, особенно их цвета и прочностных свойств, приходится ограничивать количество бумажного утиля, добавляемого в пульпу. Основные технологические данные, относящиеся к производству 1 тонны неотбеленной крафтбумаги Таблица 2 Сырье Вентвыбросы в атмосферу Древесные щепки 1120 кг Диоксид серы 18,13 кг Вспомогательные материалы Сульфат натрия 73,2 кг Сероводород 13,1 кг Окись кальция 11,3 кг Меркаптаны 3 кг Связующие 10 кг Твердые частицы 80 кг Загрязнение воды Вода ±100 тонн Оксид кальция 7 кг* Карбонат натрия 1,59 кг Пар 10,3 тонны Гидроксид натрия 3 кг Сульфид натрия 1,15 кг Энергия Твердые частицы 38,4 кг Топливо 54 кг Электричество 354 кВт.ч * В воде СаО превращается в гидроксид Са(ОН)2 Таким образом, промстоки должны обрабатываться для их очистки в соответствии с требованиями к выбросам. В табл. 2 приведены основные технологические данные, относящиеся к производству 1 тонны крафтбумаги (сульфатный процесс). Следует обратить внимание на большое количество используемой воды, которое примерно в 100 раз превышает вес древесной щепы. Как уже отмечалось, состав водных загрязнителей зависит от способа химической обработки древесины. Установки для очистки бумажного утиля от краски обычно используют детергенты: они реагируют с краской с образованием пены, которую можно удалить. Получающийся красочный концентрат токсичен и подлежит обработке. Загрязнение атмосферы, в основном, связано с энергообеспечением (сжиганием топлива). Загрязнение окружающей среды в бумажной промышленности существенно сократилось за последние 30...50 лет благодаря ряду мер и различным стандартам, введенным органами власти. 6.3. Способы извлечения макулаторосодержащей фракции и ее обогащение Легкая фракция бытовых и городских отходов представлена преимущественно макулатурой, полимерной пленкой, текстильными компонентами (основном синтетическими) и сильно загрязнена пылью, мелкими частицами отходов и уличного смета. В настоящее время существуют различные мнения о возможности и направлениях вторичной переработки легкой фракции и выделенных из нее компонентов — макулатуры и полимерной пленки. По мнению специалистов США, наиболее оптимальное направление утилизации легкой фракции ТБО — производство из нее топлива, отличающегося однородностью химического состава и достаточно высокой по сравнению с исходными ТБО теплотой сгорания. Легкая фракция, выделенная из ТБО в результате сортировки, имеет теплоту сгорания, равную 50-60 % угля и 40 % нефти. Главным преимуществом переработки легкой фракции ТБО в топливо по сравнению с их прямым сжиганием является возможность сжигания этого топлива в смеси с углем в любых топках без строительства специальных дорогостоящих печей. Предпочтение отдается гранулированному топливу, так как сжигание измельченного топлива сопровождается большим пылевыносом, а использование брикетов создает определенные трудности при их загрузке в печь и поддержании устойчивого горения. Одно из направлений переработки макулатуры, выделенной из ТБО - использование ее в, производстве бумаги или картона. Это, характеризуется прежде всего экологической направленностью: переработка 1 млн. т макулатуры сохраняет от вырубки более 600 км2 леса. Поэтому ТБО, состоящие на 30 - 40 % из газет, журналов, картона и бумажной упаковки, можно рассматривать как потенциальный источник получения бумажного волокна, способствующий тем самым сохранению лесных ресурсов. Несмотря на то, что получение бумажной массы из макулатуры, выделенной из ТБО, довольно сложно и используется самое различное оборудование, процесс реализован на целом ряде заводов в Италии, США и Японии. Получаемая бумажная масса на мусороперерабатывающем заводе в Италии (Рим) используется в основном в производстве упаковочного картона (цех картона входит в состав завода). Еще одно направление переработки извлеченной из ТБО макулатуры, нашедшее применение в промышленном масштабе, — производство гипсоволокнистых плит строительного назначения. Гипсоволокнистые плиты имеют равномерную эластичную структуру, легко обрабатываются, отличаются повышенными звукоизоляционными свойствами. Их применяют в качестве оснований для полов, а также как звукоизоляционный материал для стен и потолков зданий. Второй ценный компонент, содержащийся в легкой фракции ТБО, - полимерная пленка, содержание которой в ТБО непрерывно увеличивается. Для извлечения макулатуры из ТБО наиболее целесообразно применять сухие методы сортировки, при необходимости переводя ее в бумажную массу мокрым способом. Основной метод обогащения ТБО с целью выделения макулатуры — аэросепарация. При первичной аэросепарации ТБО в легкую фракцию совместно с макулатурой переходит также полимерная пленка. Для извлечения в самостоятельный продукт полимерной пленки применяют различные способы ее селективного отделения от макулатуры: механическое, аэросепарацию, электросепарацию, грохочение и баллистический метод. В последнее время предложены методы разделения, основанные на применении лазерной техники и магнитной сепарации, которые, возможно, найдут практическое применение в будущем. 6.4. Теоретические основы аэросепарации Аэросепарация — обогащение в газообразной среде, основанное на использовании различий в плотности компонентов и их скорости витания. Под скоростью витания понимают конечную скорость, которую приобретает частица при свободном падении, когда силы тяжести и сопротивления воздуха уравновешиваются. Поведение тяжелых частиц смеси при воздушной сепарации определяется в основном массовыми силами — силой тяжести и инерции, пропорциональными массе частицы. На поведение легких компонентов решающее влияние оказывает подъемная аэродинамическая сила - равнодействующая всех нормальных и тангенциальных сил, распределенных по поверхности частицы, находящейся в воздушном потоке. Аэродинамическая сила зависит как от параметров частиц, так и от параметров воздушного потока и пневмосепарирующей системы в целом. К параметрам частицы можно отнести форму, размеры, состояние поверхности и положение в потоке, к параметрам потока - скорость и ее направление, степень турбулентности, равномерность и ширину струи. Результирующая сила давления (сопротивление давлению) направлена в сторону воздушного потока и целиком зависит от формы тела. Кроме того, вследствие вязкости воздуха возникают тангенциальные силы или силы трения, действующие со стороны потока на обтекаемую частицу. Сумма сил сопротивлений трению и давлению представляет собой лобовое сопротивление частицы. Соотношение между этими составляющими различно и зависит от формы тела. Рассмотрим поведение частицы в состоянии предельного равновесия. На частицу действует сила тяжести, равная (1) где d – диаметр частицы, ρ – плотность материала частицы, g – ускорение свободного падения. Для частицы, находящейся в среде, отличной от плотности материала ρо, сила тяжести равна (2) где ρо – плотность среды. Одновременно на частицу действует сила сопротивления (3) где сх – коэффициент пропорциональности, u – скорость движения частицы. При движении частицы в среде и состояния предельного равновесия силы, действующие на частицу, могут быть приравнены G = F. Тогда (4) Разделим обе части уравнения на : ρo, ν2, (5) объединим в значении Сх и числовые выражения (4; 5). Примем во внимание, что число Рейнольдса и Архимеда равны В окончательном виде получаем уравнение в критериальном виде Для осуществления аэросепарации применяют аэросепараторы различных конструкций — как с вертикальным, так и с горизонтальным потоком воздуха. При аэродинамических расчетах воздушных сепараторов необходимо учитывать, что в процессе комплексной переработки ТБО основной задачей может быть не только предварительная сортировка ТБО на легкую и тяжелую фракции, но и получение по возможности одного конечного продукта — макулатуры. Поэтому теоретическая рабочая скорость воздуха в сепараторах должна рассчитываться для макулатуры — легкой составляющей ТБО. Основной момент аэродинамического расчета воздушного сепаратора - определение скорости витания uв частиц твердой фазы. Нахождение этой величины для заданного состава твердой фазы позволяет определить гидродинамическую обстановку, что, в конечном счете, дает возможность предсказать ориентировочные технологические показатели аэросепарации. 6.5. Аэросепараторы. 6.5.1. Аэросепараторы с горизонтальным потоком воздуха Аэросепараторы горизонтального типа. Для copтиpовки городских отходов в горизонтальном потоке воздуха используется сепаратор, запатентованный в США (Рис. 1,а). Предварительно отходы обрабатываются измельчителем 2 с рабочим колесом 3, вращающимся на валу 1. Измельченные отходы подхватываются горизонтальным потоком воздуха. Наиболее тяжелые материалы (металлические банки, куски автомобильных шин и др.) поступают на конвейер 9, более легкие (мокрое дерево, неметаллические предметы) — на конвейер 8, предметы из алюминия и других подобных материалов — на конвейер 7. Рис.1. - Аэросепараторы с горизонтальным потоком воздуха Макулатура, текстиль и т.п. подхватываются потоком воздуха и выносятся в трубу 5, куда дополнительно вентилятором 4 подается воздух, направляемый в топку или для осуществления других процессов обработки. Для предотвращения смешивания отходов между конвейерами устанавливаются разделительные направляющие вставки 6 и 10. Устройство, заявленное Германией, снабжено системой циркуляции воздуха и камерой, выполненной в виде трубы, с загрузочным бункером, в который измельченный материал подается вибропитателем. Материал, подхваченный горизонтальным потоком воздуха от вентилятора, разделяется на три фракции и удаляется в сборники, а наиболее легкие частицы выносятся в циклон. Для регулирования сепарации внутри камеры между разгрузочными отверстиями установлены подвижные перегородки. Изменением высоты перегородки регулируется вынос мелких частиц в циклон. 6.5.2. Аэросепараторы с вертикальным потоком воздуха Для аэросепарации дробленых твердых городских отходов крупностью 100 мм предложен аппарат, представленный на рис.2. Рис. 2 - Многосекционный вертикальный аэросепаратор для ТБО (США) Он состоит из вертикальной разделительной колонны 4 прямоугольного сечения, открытой сверху и снизу для входа и выхода воздуха. Воздушный поток создается вентиляторов 7, отсасывающим воздух из открытого конца 5 колонны 4 и сборной камеры 10 для легкой фракции ТБО. Исходный материал загружается в вертикальную колонну примерно посередине ее высоты по желобу 2 с помощью ротационного устройства 3. Для задержки верхнего потока воздуха и поступающего материала, а также обеспечения циркуляции и завихрений воздуха и материала поперек колонны (от стенки к стенке) в разделительной колонне установлены отражатели 1. Воздушный поток, выходя из колонны 4, изменяет направление, встречаясь с верхней стенкой 6 и отражателем 9, установленным в камере 10; легкая фракция ТБО выпадает в бункер 11 и разгружается через заслонку 12. Отработанный воздух проходи! через решетку 8 к вентилятору. При использовании данного аппарата твердые бытовые отходы более чисто разделяются на компоненты, чем в обычных сепараторах вертикального (и горизонтального) типа. Рис. 3. Схемы электросепараторов с использованием ионизаторов воздуха и диэлектрической защитой электродов Из физики известно, что асинхронный двигатель устроен следующим образом: рамка из проводящего материала помещена в электромагнитное поле и стремится занять положение, ориентированное в электрическом поле. В условиях замкнутого бегущего электрического поля рамка вращается, совершая определенную работу. Если статор асинхронного двигателя разрезать и выпрямить, то проводник в виде колеса, помещенный на распрямленный статор, покатится вдоль распрямленного статора (принцип монорельсовой дороги). Бегущее электрическое поле используется для извлечения материалов с временным намагничиванием (алюминий, медь, бронза и др.). Конструктивное решение бегущего электрического поля позволяет создать импульс пондеромоторных сил. Лекция 7. Твердые отходы потребления: краткая характеристика. Методы санитарной очистки населенных мест от ТБО 7.1. Состав и свойства городских отходов Городские отходы довольно разнообразны по своему составу. Источником образования бытовых отходов являются жилые, общественные, административные и другие учреждения, а также территории общего пользования (улицы, скверы, парки и т.д.). Деятельность промышленных предприятий сопровождается образованием промышленных отходов, в составе которых могут присутствовать специфические компоненты, в первую очередь химического происхождения. Классификация городских отходов приведена в табл.1. Рис.1. Структура бытовых отходов Таблица.1. Классификация городских отходов. По физическому состоянию По месту образования По натуральному составу 1 2 3 Твердые Бытовые отходы жилых зданий Пищевые отходы, смет, стекло, кожа, резина, бумага, металл, тряпье, пластмасса, зола, шлак, дерево, отходы текущего и капитального ремонтов Бытовые отходы учреждений административного и административно-общественного назначения Бумага, стекло, текстиль, дерево, смет, люминесцентные лампы и др. Отходы предприятий общественного питания, рынков Пищевые отходы, кости, бумага, стекло, смет, древесина и др. Отходы территорий общественного пользования Уличный смет, брошенные предметы, бумага, стекло, древесина, опавшие листья и др. Отходы лечебных и санитарно-эпидемиологических учреждений Текстиль, бумага, стекло, пластмасса и др. Металл, пластмасса, стекло, дерево, лаки, краски, растительные масла, древесина и др. Жидкие Бытовые Нечистоты, фекально-сточные воды Промышленные Сточные воды Газообразные Городская среда Пыль, газообразные продукты сгорания топлива, газы промпредприятий, газообразные продукты разложения и разрушения твердых и жидких отходов и др. Характеристика состава и свойств твердых отходов необходима для выбора эффективных систем их сбора, удаления, обезвреживания и использования, проектирования и технико-экономической оценки сооружений для санитарной очистки. Основную массу твердых отходов составляют бытовые. Для изучения их состава и свойств на местах их обезвреживания отходов отбирают пробы, в которые не включают крупные предметы размером более 350 мм. При исследовании твердых отходов устанавливают их морфологический и фракционный составы, среднюю плотность, химический состав и удельную теплоемкость. Эти характеристики зависят от степени благоустройства зданий - объектов образования отходов, вида топлива, применяемого в местном отоплении, климата, местных условий и других факторов и индивидуальны для каждого города или поселка. Состав и свойства отходов изменяются по сезонам года и с течением ряда лет. В связи с этим исследования следует повторять не менее 1 раза в 5 лет. При проектировании схемы санитарной очистки необходимо прогнозировать изменения состава и свойств бытовых отходов на основании перспектив развития инженерного оборудования и благоустройства города или поселка, расчетных норм и уровня производства соответствующих предметов потребления, их износа и поступления в отходы, общих тенденций изменения и содержания основных компонентов. 7.2. Морфологический состав. Твердые отходы включают разнообразные вещества органического и неорганического происхождения. Под морфологическим составом понимают содержание отдельных компонентов, выраженное в процентах, к общей массе отходов. Морфологический состав ТБО типичный для бытовых отходов Центра России: Бумага, картон 30 - 38%, Пищевые отходы 30 - 39%, Садовые отходы 1 - 3%, Текстиль 4 - 6%, Металл 2 - 3%, Стекло 5 - 9%, Дерево 1 - 2,5%, Кожа, резина 1 - 5%, Пластмасса 1,5 - 2,5%, Отсев менее 16 мм 7 - 25%, Прочие 0,5 - 1%. Морфологический состав ТБО в различных климатических зонах различен. Фракционный состав. На технологию сбора и удаления отходов, конструктивные параметры машин и оборудования мусороперерабатывающих заводов, влияет фракционный состав ТБО, под которым понимают содержание частей разного размера, выраженное в % к общей массе. Определяют фракционный состав последовательным просеиванием средних проб отходов на ситах с размером ячеек 350, 250, 100, 50, 15 мм и установлением морфологического состава на каждом сите. Основная масса отходов имеет размер менее 100 мм (до 70% массы сырых отходов). Компоненты размером 350, 250 мм составляют около 5% (бумага, текстиль). Особо выделяются крупногабаритные отходы. Влажность. Показатели влажности учитывают при определении числа и типов сборников и транспортных средств, их герметичности и характера антикоррозийных покрытий, при выборе технологических схем переработки мусора. Наружная влажность - это влага, теряемая отходами при просушке до воздушно-сухого состояния, когда их масса не меняется при комнатной температуре (16-200С) и нормальной относительной влажности воздуха (50%). Влажность ТБО зависит от соотношения содержащихся в них основных компонентов - бумаги и пищевых отходов и их влажности, а также от условий кратковременного хранения на местах сбора. Влажность бытовых отходов колеблется в пределах 30-58%, достигая максимум осенью. Химический состав. К основным химическим показателям относятся зольность, содержание органического вещества, общего, аммиачного и нитратного азота, общего фосфора и калия, кальция, углерода, клетчатки, хлоридов, сульфатов и реакция среды (рН). Бытовые отходы содержат азота 0,8-1,5%, фосфора 0,4-0,6, калия 0,3-0,6% к массе сухих отходов, рН = 5-6,6, С:N = 20-30. Характеристика ТБО по химическому составу позволяет определить удобрительную ценность отходов и оценку их как материалов для компостирования. ТБО обладает рядом специфических свойств. Сюда следует отнести их слеживаемость, т.е. способность уплотняться и выделять фильтрат без дополнительного внешнего воздействия только при длительной неподвижности. Продолжительный контакт ТБО с металлами вызывает их коррозию, обусловленную высокой влажностью ТБО и присутствием в фильтрате растворов различных солей. При конструировании устройств для обработки и обезвреживания ТБО следует учитывать их склонность к сводообразованию и возможность накапливания на металлическую стенку с углом наклона к горизонту до 65-70%. Твердые балластные фракции (стекло, фарфор), входящие в состав ТБО, дают абразивный эффект и приводят к истиранию соприкасающихся с ними поверхностей при их взаимном перемещении. Состав промышленных отходов имеет значение при определении методов их складирования или обезвреживания. Отнесение промышленных отходов к той или иной категории производится с помощью гигиенической классификации промышленных отходов (табл.2). Таблица 2. Гигиеническая классификация неутилизируемых промышленных отходов. Категория Характеристика неутилизируемых промышленных отходов по виду содержащихся в них загрязнений Рекомендуемые методы складирования или обезвреживания 1 2 3 1 Практически инертные Использование для планировочных работ или совместное складирование с твердыми бытовыми отходами 2 Биологически окисляемые, легко разлагающиеся органические вещества Складирование или переработка совместно с ТБО 3 Слаботоксичные малорастворимые в воде, в том числе при взаимодействии с органическими кислотами Складирование совместно с ТБО 4 Нефтемаслоподобные, не подлежащие регенерации в соответствии с действующими указаниями Сжигание, в том числе совместно с ТБО 5 Токсичные со слабым загрязнением воздуха (превышение ПДК в 2 - 3 раза) Складирование на специализированном полигоне промышленных отходов 6 Токсичные Групповое или индивидуальное обезвреживание на специальных сооружениях 7.3. Общие понятия об обезвреживании отходов. Бытовые отходы представляют определенную опасность для здоровья людей, поскольку содержат быстроразлагающиеся органические вещества, болезнетворные микроорганизмы, личинки мух и яйца гельминтов. Исключение отрицательного, влияния бытовых отходов на людей и окружающую среду является одной из важных задач санитарной очистки городов. В то же время изучение состава ТБО показывает наличие в них целого ряда компонентов, которые могут быть использованы или непосредственно после извлечения, или в результате определенной переработки. В связи с этим ТБО следует не только обезвреживать, но и в некоторых случаях использовать. По способу использования отходов методы обезвреживания подразделяют на утилизационные и ликвидационные. Утилизационные методы позволяют решать задачи экономии топливно-энергетических ресурсов; ликвидационные - направлены в основном на удовлетворение санитарно-гигиенических требований. Классификация методов обезвреживания по технологическому принципу позволяет выделить биотермические, механические комбинированные, термические и химические способы. Чаще всего в городах применяются ликвидационный механический способ путем обезвреживания отходов на полигонах и ликвидационный термический, при котором отходы сжигаются. Распространен также утилизационный биологический способ, предусматривающий компостирование отходов. 7.4. Полигоны для твердых отходов Полигоны имеют различное соотношение длины и ширины. Расход земельных площадей под полигоны зависит от численности обслуживаемых жителей в городе и высоте складирования. Для размещения полигонов твердых отходов можно использовать овраги и другие неудобные земли. При этом планировка и организация загрузки полигонов отходами определяются конкретными условиями. Складируют отходы бульдозерами методами надвига (снизу вверх бульдозером к ранее отложенным отходам) и сталкивания (под откос сверху вниз). Складируемые отходы систематически разравнивают слоями толщиной до 0,5 м и уплотняют двух-, четырехкратными проходами бульдозера или катка-уплотнителя, двигающихся вдоль длинной стороны карты. На каждый уплотненный слой бульдозером (катком) надвигается следующий слой и вновь уплотняется. Операции продолжаются до достижения общей высоты рабочего слоя 2 м. Рис. 1. Схема полигона ТБО для Кимовского района Тульской области Каждый рабочий слой отходов покрывают (летом ежесуточно, зимой через 3 сут.) с последующим уплотнением промежуточным изолирующим слоем высотой 0,25 м (при уплотнении в 3,5 и более раз допускается 0,15 м). В качестве изолирующих слоев могут быть использованы супесчаные и суглинистые грунты, строительный мусор, зола, шлак, нетоксичные промышленные отходы и др. Картовый метод, которым ведут складирование ТБО, предусматривает выгрузку отходов из мусоровозов одновременно не на всю площадь полигона, а только в пределах карты, отведенной на данные сутки. Благодаря такой организации работ вся площадь полигона, за исключением одной карты, изолирована (покрыта изолирующим слоем), что создает хорошие санитарные условия на полигоне. Схема участка складирования зависит от рельефа выбранной территории. Основными типами участков являются плоские, овражные, карьерные (на отработанных карьерах). На плоских участках полигонов складирование отходов осуществляется по высотной схеме. Рис. 2. Схема полигона по высотной технологии складирования При использовании под полигоны оврагов рассчитывают вместимость полигона первоначально при заполнении до бровки, а на втором этапе - свыше бровки. Складирование ТБО в карьерах также проектируют по двум схемам: выравнивание до уровня бровки карьера и по высотной схеме - со значительным превышением бровки. Полигоны ТБО, имеющие высоту (а для полигонов в оврагах и котлованах - глубину) более 20 м и нагрузку на используемую площадь более 10 т/м2 или 100 тыс. т/га, относятся к категории высоконагружаемых. После полной загрузки полигона и закрытия его растительным грунтом поверхность последнего можно использовать для устройства парков, садов, игровых площадок и пр. В закрытых от соприкосновения с воздухом бытовых и пищевых промышленных отходах, находящихся в насыпях полигона, возникает анаэробный процесс, при этом выделяется биогаз (смесь метана и углекислого газа), который при определенных условиях можно использовать как топливо. При совместном хранении на полигонах бытовых и промышленных отходов последние используются для устройства слоев промежуточной изоляции. 7.5. Почвенный и биотермический методы Биотермические методы в зависимости от технологической схемы и применяемого оборудования подразделяют на: а) полевое компостирование на открытых площадках без предварительной подготовки; б) полевое компостирование на открытых площадках с предварительной подготовкой ТБО; в) переработку в специальных установках без предварительной подготовки отходов (биотермические камеры, бескамерные установки, парники и теплицы); г) промышленное биотермическое обезвреживание и переработку отходов. Полевое компостирование целесообразно применять в малых городах с населением до 50 тыс. чел. при наличии свободных территорий вблизи города. Метод можно использовать и в более крупных городах - до 500 тыс. чел. Переработка отходов производится на специальных открытых участках, в штабелях длиной 10-25 м трапецеидального сечения (с основанием 3-4 м, верхней стороной 20-30м, высотой 1,5-2 м), которые располагаются на поверхности земли или в траншеях глубиной 0,5 м. Для задержания образующейся при компостировании жидкости в основание штабеля укладывают влагоемкие материалы (торф, солому, опилки и др.). Отходы укладывают без уплотнения, а для изоляции сверху и с боков штабель засыпают слоем земли, торфа или зрелого компоста толщиной 20 см. В штабелях обеспечиваются оптимальные условия аэрации и саморазогревания до 50-60 °С. Необходимую влажность отходов в штабелях (50-55 %) поддерживают устройством специальных углублений или канавок на штабеле для задержания атмосферных вод или дополнительным увлажнением из сети технического водоснабжения. Продолжительность обезвреживания ТБО на площадках компостирования составляет 6–12 мес. Обработка и переработка мусора для последующего использования Промышленная переработка и обезвреживание мусора осуществляется на мусороперерабатывающих заводах (МПБО). В нашей стране действуют мусороперерабатывающие заводы в Санкт-Петербурге, Москве и др. Механизированная переработка ТБО на заводах осуществляется по технологии аэробного биотермического компостирования, в результате чего отходы обезвреживаются и превращаются в ценное органическое удобрение - компост или биотопливо для теплиц. Принятая технология позволяет извлекать из отходов утильные компоненты, которые используются в качестве вторичного сырья в промышленности. Современные мусороперерабатывающие заводы при всем разнообразии их технологических и конструктивных схем в полном составе имеют оборудование для четырех технологических операций, обеспечивающих законченный цикл обезвреживания отходов: 1) для приема и предварительной подготовки материала; 2) для биологического аэробного процесса компостирования мусора; 3) для окончательной обработки компоста; 4) для сжигания образующихся при предварительной и окончательной обработке некомпостируемых отходов. Оборудование для приема и предварительной подготовки материала состоит из приемного бункера, питателей, транспортеров, грохотов, дробилок, магнитных сепараторов, детекторов цветных металлов, смесителей. Для биологического аэробного (биотермического) компостирования мусора применяется один из следующих видов оборудования: горизонтальный вращающийся барабан; многоэтажные башенные установки с активным или пассивным перемешиванием материала; вертикальные биотермические башни со шнековой разгрузкой; камеры со сплошными или сетчатыми стенками с перемешиванием или без перемешивания материала. Оборудование для окончательной обработки компоста состоит из контрольного грохота, сепаратора балласта (особенно стекла) или дробильных устройств, а также подъемно-транспортных устройств, которыми оснащается склад готовой продукции и площадка дозревания компоста. Установки для сжигания образующихся при предварительной и окончательной обработке некомпостируемых отходов (древесины, картона, тряпья, предметов из синтетических материалов, кожи, резины - на долю таких отходов приходится 20-30 %) изготовляют как с использованием теплоты (с котлоагрегатами) так и без ее использования. Для очистки отходящих газов применяют сухую или мокрую очистку. Устройства для сжигания остатков применяют на крупных заводах и в случае повышенных санитарных требований к их удалению. Кроме аэробного компостирования при соответствующих местных условиях можно применять анаэробное сбраживание дробленого мусора с канализационным осадком. В этом случае для биологической переработки применяют метантенки, а для окончательной обработки - уплотнители и иловые площадки или устройства для термосушки. Наряду с основным завод имеет вспомогательное оборудование - установки для взвешивания мусоровозов, мойки контейнеров, аэрации компостируемой массы, вентиляции, теплоснабжения, прессы для металла и т. д. Технологическая схема размещения оборудования определяется схемой завода, которая, в свою очередь, зависит от его производительности, климатических условий, возможностей завода-изготовителя и ТЭП (технико-экономических показателей). Принятая конструкция основного оборудования влияет на состав вспомогательного. Так, например, если аэробное компостирование проводится в многоэтажном ферментаторе или вертикальной биобашне, то предварительное дробление компоста обязательно, в то время как в биобарабан может подаваться и недробленный материал. Однако предварительное дробление в большинстве случаев целесообразно, так как улучшается ход процесса компостирования. Принципиальную схему завода по механизированной переработке ТБО можно представить следующим образом. Мусоровозы разгружаются в приемный бункер, из которого отходы грейферным краном или пластинчатым питателем направляются через магнитный сепаратор на дробилку. Если предусмотрено частичное сжигание мусора, то перед магнитным сепаратором устанавливают грохот, отделяющий мелкие и средние фракции (размером до 200-250 мм) для компостирования и крупные - для сжигания. Выделенный на магнитном сепараторе черный металл поступает на пакетировочный пресс, а затем в виде спрессованных блоков - на склад готовой продукции. Перед дробилкой часто устанавливают детектор цветных металлов для обнаружения крупных металлических предметов, не отобранных магнитным сепаратором. Дробленый мусор при необходимости увлажняют, смешивают с бактериальной затравкой (не на всех заводах) и направляют в установку для аэробного компостирования той или иной конструкции. В процессе компостирования материал периодически или непрерывно перемешивается. В зависимости от продолжительности и интенсивности аэробного процесса получают компост (за 1,5-2 сут). Далее материал отхода поступает на контрольный грохот, где очищается от фракций крупнее 30-60 мм, содержащих некомпостируемый материал (древесину, пластмассу, тряпье и т. д.), который ухудшает товарный вид компоста и снижает удобрительную ценность. Мелкие фракции поступают на склад готовой продукции или в штабеля на специальные площадки, где происходит дозревание компоста (необязательный процесс). Фракции крупнее 30-60 мм направляются на свалку или на сжигание. Рис. 6. Схема биобарабана для получения биотоплива Если полученный материал предполагается использовать в хозяйствах, где применяются ручные операции (пикетирование), а также на открытом грунте (для газонов), то после контрольного грохота устанавливают сепараторы или дробилки для доизмельчения материала. Вторичное дробление компоста (по сравнению с сепарацией) приводят к повышению выхода компоста. Склад готовой продукции снабжают машинами для перелопачивания компоста и погрузки его в автотранспорт. Для осуществления биотермического процесса обезвреживания и переработки ТБО применяют чаще всего горизонтальные вращающиеся барабаны. Биотермическое разложение органического вещества происходит в результате жизнедеятельности сапрофитных аэробных микроорганизмов, способных выделять при биохимических реакциях обмена веществ определенное количество теплоты. Микрофлора, которая необходима для биотермического процесса, присутствует в ТБО в необходимом количестве. Активизации ее жизнедеятельности способствует измельчение ТБО, что увеличивает их удельную поверхность. Аэрация компостируемой массы в объемах 0,2-0,8 м3 на 1 кг перерабатываемого материала; поддержание влажности массы не ниже 45 и не выше 60 % и теплоизоляция призваны сохранять выделяющуюся теплоту. Обязательным условием обезвреживания ТБО является выдержка компостируемого материала в течение не менее 12 ч при температуре не ниже 50 °С. Процесс аэробного биотермического компостирования можно разделить условно на 3 этапа. На первом - происходит ускоренное размножение мезофильных микроорганизмов при температуре 20 - 35 °С. В качестве источника энергии для бактерий выступают легко разлагаемые органические соединения, которые присутствуют в основном в пищевых отходах (органические кислоты, углеводы, белки). Их жизнедеятельность сопровождается выделением тепловой энергии, что способствует нагреву компостируемой массы до 50°С. Повышенная температура создает благоприятные условия для развития термофильных микроорганизмов, жизнедеятельность которых способствует увеличению выделяемой теплоты и ускорению процессов разложения органического вещества. Эти процессы протекают на втором этапе и характеризуются повышением температуры компостируемого материала до 50-70 °С. Завершается второй этап в штабелях на площадке дозревания или в закрытом грунте в случае использования получаемого на заводах материала в качестве биотоплива для теплиц. На третьем этапе происходит медленное падение температуры, что связано с использованием легко разлагаемых органических соединений. Процесс характеризуется переходом термофильной микрофлоры в состояние спор с частичным отмиранием; мезофильная же флора начинает вновь размножаться благодаря наличию более разнообразной и мощной ферментативной системы, способствующей разложению более стойких органических соединений (клетчатки и легнина). Обезвреживание бытовых отходов сопровождается не только распадом органического вещества, но и его синтезом, т.е. образованием гуминовых соединений, улучшающих качество органического удобрения. За весь цикл аэробного биотермического компостирования содержание органического вещества в компостируемом материале снижается (по сухой массе) на 18-26 %, в том числе в биобарабане на 2-4 %, остальные органические вещества теряются в штабелях или теплицах. Экспериментальные исследования процессов совместной переработки ТБО и осадка сточных вод (ОСВ) в условиях заводов МПБО показали, что совместная переработка позволяет улучшить структуру и товарный вид компоста, повысить содержание питательных веществ, решить вопрос утилизации осадка сточных вод. Однако для осуществления процесса совместной переработки в технологию и конструкции отдельных узлов МПБО должны быть внесены некоторые изменения. При использовании компоста, полученного из смеси ТБО и ОСВ, следует учитывать возможность наличия в ОСВ вредных примесей и при определении дозы и периодичности внесения удобрений руководствоваться техническими условиями и рекомендациями, разработанными АКХ им. Панфилова и Минздравом РФ. Лекция 8. Утилизация отходов термическими методами (крекинг, пиролиз, деполимеризация) с получением низкомолекулярных ценных продуктов. Утилизация с получением энергии. 8.1. Методы утилизации 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 1200°С. 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 600-1100°С 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. Реакция газификации протекает в среде с восстановительными свойствами, поэтому оксиды азота и серы практически не образуются. Масса тумана при 600°С может доходить до 30% от массы синтез-газа. При увеличении температуры газификации доля тумана в массе синтез-газа падает и при температуре более 1100°С близка к нулю. Пиролиз - наиболее изученный процесс широко используется для производства активированного угля из древесины. Пиролиз нефтесодержащих и им подобных отходов проводят без доступа кислорода при температуре 600-800°С с вакуумированием реактора. Различают низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный пиролиз (более 800оС). При пиролизе протекают реакции коксо- и смолообразования, разложения высокомолекулярных соединений на низкомолекулярные, жидкую и газообразную фракции, а если углеводородные отходы содержат серу, то образуются также сероводород и меркаптаны. Оксиды азота и серы практически не образуются. Для низкотемпературного пиролиза характерны пиролизное масло, газ и твердые вещества, для высокотемпературного – газ и твердые вещества - углерод. Биологические методы обезвреживания ПО и ТБО находят все более широкое применение в нашей стране и особенно за рубежом. Они основаны на способности различных штаммов микроорганизмов в процессе жизнедеятельности разлагать или усваивать в своей биомассе многие органические загрязнители. Микробиодеградация - это деструкция органических веществ определенными культурами микрофлоры, внесенными в грунт. Процесс биоразложения протекает с заметной скоростью при оптимальной температуре и влажности. Твердые отходы имеют значительную органическую составляющую, поэтому одним из методов утилизации является термическое обезвреживание. В органике твердых отходов присутствуют легко разлагающиеся и трудно разлагающиеся компоненты. Органика твердых отходов подвергается атаке со стороны микроорганизмов, которые в первую очередь деструктируют легко разлагающуюся органику, а именно белки, углеводы, целлюлозу и другие. Трудно разлагающаяся органика – основным элементом являются лигнины, сохраняются достаточно долго и в общем случае процесс разложения органики можно представить как процесс углефикации, но со скоростями значительно большими. Одним из быстрых решений по утилизации органики является сожжение. Так, например, в составе твердых бытовых отходов по массе равной 20-24% бумаги, картона, 5-7% - текстиль, древесина. Также содержит значительное количество органики. Отходы лакокрасочной промышленности, химической промышленности (производство пластмасс, синтетических тканей, пленок), пестициды, гербициды. Термическое обезвреживание и утилизации ТБО методом сжигания может производиться как для неподготвленных, так и для подготовленных отходов. Слоевое сжигание исходных – неподготовленных отходов в топках мусоросжигательных котлов; Слоевое или камерное сжигание специально подготовленных (обогащенных) отходов (освобожденных от балластных составляющих и имеющих относительно стабильный фракционный состав) в топках энергетических котлов или цементных печах; Пиролиз отходов, прошедших предварительную подготовку или без нее. Горение отходов в топке, их слоевое сжигание – сложный химический процесс, состоящий из элементарных химических реакций окислительно-восстановительного характера (табл. 1): Таблица 1 Реакции Тепловой эффект КДж/кмоль КДж/кг КДж/м3 C + O2 = CO2 C + ½ O2 = 2 CO C + CO2 = 2 CO C + H2O = CO + H2 C + 2 H2O = CO2 + 2 H2 C + 2 H2 = CH4 CO + ½ O2 = 2 CO2 H + ½ H2O = H20 (жидкость) H2 + ½ H2O = H20 (пар) CH4 + 2 O2 = CO2 + 2H2О СО + Н2О = СО2 + 2 Н2О C2H4 + 3 O2 = 2 CO2 + 2 H20 H2S + 1,5 O2 = H2O + SO2 H2 + 2Cl = 2 HCl H2 + 2F = 2 HF 395000 110000 -175500 -130000 -132000 -74900 225600 286220 241800 801920 40400 1322500 518110 92500 270000 32890 9160 -14610 -10860 -10990 -6240 - - - - - - - - - - - - - - - 12750 12780 10760 35800 1800 59040 23130 4130 12050 Пиролиз отходов основан на способности органической массы отходов при нагревании в инертной среде выделять продукты термического разложения, такие как СО, СО2, Н2, СН4, СnHm и др. Этот процесс происходит при подводке тепла (эндотермический процесс). Характеристика элементарного состава ТБО может быть отнесена к рабочей, сухой и горючей масса: CР + НР + NР + OР + SР + AР + WР = 100%; CС + HС + NС + OС + SС + AС = 100%; CГ + HГ + NГ + OГ + SГ = 100%, Где CР, HР, NР, OР, SР, AР, WР – содержание соответственно углерода, водорода, азота, кислорода, серы, золы и влаги в рабочей массе отходов, а индексы «с» и «г» соответствующих элементов в сухой и горючей массе отходов, %. Зная морфологический состав отходов и элементарный состав отдельных компонентов, можно определить элементарный состав для всей массы рассматриваемых отходов, %: Собщр = С1р i1 + С2р i2 + …+ Сnp in ; ………, C1p – содержание углерода в каждом компоненте (бумага, пищевые отходы и т.д.); То же, водорода, азота, кислорода, серы, золы, влаги. Все расчеты проверяются и относятся к удельной теплоте сгорания отходов Qнр и к выходу летучих продуктов Vс: (Qнр)общ = (Qнр)1 i1 + (Qнр)2 i2 + …(Q)n In, где (Qнр)1 – удельная теплота сгорания отдельных компонентов рассматриваемых отходов на рабочую массу, i1 – доли соответствующих компонентов в общей массе отходов Полученная (Qнр)общ , кДж/кг, может быть проверена по формуле Менделеева (Qнр)общ = 4,187 [81CобщР + 300Нобщ Р – 26(Oобщ Р – Sобщ Р) – 6(9Нобщ Р + Wобщ Р )]. Выражение в квадратных скобках позволяет определить (Qнр)общ в ккал/кг. Необходимость подачи энергетического топлива для поддержания процесса горения ТБО в пределах заданных температур в топочной камере определяют по диаграмме Таннера, который установил предел следующими значениями: зольность отходов – а < 0,6 (60%); влажность W < 0,5 (50%); содержание горючих веществ b ³ 0,25 (25%). Рейферт и Тош рекомендуют такие соотношения этих величин: A/b = 0,6/0,25 = 2,4; W/b = 0,5/0,25 выполнение этих условий позволяет при подогреве дутьевого воздуха до 2000 С поддерживать в топочной камере температуру не ниже 9000 с при избытке воздуха – a = 1,8 - 2. Наша страна, включившись в единую рыночную систему, практически подошла к близкому составу отходов других стран, таких как Великобритания, Германия и пр. Термические промышленные способы утилизации насчитывают более 10 лет, созданы печи, топки для утилизации жидких, твердых, пастообразных отходов. В общем случае топки по способу подачи горючего материала подразделяются на топки со слоевым сжиганием и с камерным сжиганием. При слоевом сжигании отходы образуют определенный слой, и конструкторское решение сводится к способу разрыхления (шуровки). При этом воздух для сгорания (окислитель) может поступать прямотоком, противотоком, может быть средний, верхний, нижний подвод и комбинации. Камерное сжигание предполагает форсунки, через которое подается жидкое, пастообразное, твердое топливо в измельченном состоянии и конструкторская мысль работает в направлении совершенствования: форсунок, места расположения форсунок в камере, выбора основного направления ввода топлива относительно основной камеры. 8.2. Слоевое сжигание. Конструкторское решение для топок слоевого сжигания Существует несколько типов: 1. Прямые переталкивающие колошники (рис.1 а); 2. Обратно переталкивающие колошники рис.1 б; 3. Кулачковые колошники (рис.1 в,г); 4. Валковые топочные устройства (рис.1 д) Рис. 1. Схема решеток в печах для сжигания отходов 8.3. Камерное сжигание При камерном сжигании топливо подается через форсунки. Различные виды форсунок позволяют подавать твердое топливо. Рис. 2. Схема утилизации отходов камерно- огневым способом За счет изменения направления воздуха в резонансной камере создается пульсирующий поток воздуха. За счет импульсного воздействия на пылевидное топливо происходит дополнительное дробление и быстрое сгорание топлива, форсунка не чувствительна к физико-химическим свойствам топлива, малочувствительна к изменению зерна. Камерные топки предполагают подачу первичного воздуха снизу (прямоток), сверху (противоток), если форсунки располагают по касательной во внутренней окружности камеры, то топка называется циклонной. Топочные камеры. Теплонапряжение топочной камеры, кДж/(ч м3), зависящее от характера процессов, протекающих в ней, и свойств отходов, может быть представлено в виде формулы Где V – объем топочного пространства, м3. Производительность установки равна или где a и b – безразмерные величины, которые изменяются в пределах 0,25 – 2. Для удобства определений значений построены и используются номограммы. 8.4. Охлаждение и утилизация тепла дымовых газов. Температура уходящих газов после топочной камеры 800 – 10000 С. Для использования тягодутьевых и пылеулавливающих устройств необходимо снизить температуру до 250 – 3000 С. Это условие может быть выполнено при впрыскивании воды в поток газов или применении теплообменника парогенератора, сушильного агрегата и т.д. При небольших по производительности установках используют котлы-утизизаторы, в которых производится отбор тепла. Котлы-утилизаторы имеют паропороизводительность в пределах 15 – 20 кг/(м2 ч), что значительно ниже энергетических установок (40 – 60 кг/(м2 ч)). Для уменьшения сильного загрязнения конвективных поверхностей нагрева, не рекомендуется располагать трубы в шахматном порядке, а также горизонтально. Дымоходы котла должны иметь такую конфигурацию, чтобы летучая зола не могла оседать в местах изменения направления потока газов. При выборе оборудования для очистки газовых потоков необходимо учитывать то обстоятельство, что содержание серы в газах невелико, содержание оксидов азота невелико, т.к. температура газов в топке не превышает 800 – 10000 С. Выброс хлористого водорода зависит от количества пластиков на поливинилхлоридной основе, входящих в состав отходов. Обычно содержание хлористого водорода не превышает 0,02%. Из других вредных газообразных примесей дымовых газов следует отметить альдегиды и органические кислоты, которые образуются при неполном окислении пищевых отходов, жиров, масел и т.п. Эти выбросы являются наиболее опасными. Выбор газоочистных устройств зависит от объема очищаемых газов, их начальной запыленности, физико-химических свойств взвешенных частиц, наличия токсичных компонентов. К группе сухих гравитационных и инерционных золоуловителей относят пылеосадительные камеры, жалюзийные золоуловители, циклоны, мультициклоны, центробежные золоуловители. К группе мокрых золоуловителей относятся: газопромыватели, в которых очищаемый воздух пропускают через завесу разбрызгиваемой жидкости – промывные камеры, полные и насадочные скрубберы, мокрые аппараты ударно-инерционного типа, работающие по принципу инерционного осаждения частиц во время преодоления газом препятствия, смоченного жидкостью, или при резком изменении направления движения потока над поверхностью жидкости. Пористые золоуловители, в частности тканевые и наполненные пористыми материалами, не получили широкого распространения. К группе электростатических фильтров относится большое количество аппаратов. Аппараты имеют КПД = 99,8%. 8.5. Пиролиз твердых отходов. При пиролизе отходов протекают следующие связанные между собой процессы: сушка, сухая перегонка (пиролиз), газификация и горение коксового остатка, взаимодействие образовавшихся газообразных продуктов. Для процессов пирогенетического разложения отходов характерно стехиометрическое уравнение, подобное уравнениям химических реакций: отходы + 0С ®газ + смолы + водный раствор + углеродистый твердый остаток (кокс). Соотношение количеств получаемых газообразных, жидких и твердых продуктов, а также их состав зависят от условий пиролиза и состава исходного продукта. В результате газификации углерод твердого остатка под воздействием окислителя (воздуха, кислорода или водяных паров) превращается в газообразное топливо. Оставшийся после этого твердый остаток содержит лишь минеральную часть отходов. При воздушном, кислородном или паровом дутье происходят окислительно-восстановительные реакции. В соответствии с температурным уровнем процесса, пиролизные установки подразделяются на: низкотемпературные (450 – 5000 С), характеризующиеся минимальным выходом газа, максимальным количеством смол и твердых остатков; среднетемпературные (до 8000 С), при которых увеличивается выход газа, а количество смол и масел уменьшается; высокотемпературные (свыше 8000 С), отличающиеся максимальным выходом газов и минимальным – смолообразных продуктов. Высокотемпературный пиролиз обеспечивает интенсивное преобразование исходного продукта. Скорость реакции возрастает с увеличением температуры по экспоненте, в то время как тепловые потери возрастают линейно. Расширяется промежуток теплового воздействия на отходы. Происходит более полный выход летучих продуктов, сокращаются объем и количество остатка после окончания процесса. В нашей стране применяются установки низкотемпературного пиролиза. Разработаны установки высокотемпературного пиролиза. Основным узлом пиролизной установки является реактор, представляющий собой шахтную печь со встроенной внутри него швельшахтой, а также система эвакуации газов, позволяющая избежать смешивания пиролизных и дымовых газов. Отходы загружают в верхнюю часть реактора с тремя затворами шиберного типа. Под действием собственного веса отходы опускаются через швельшахту в нижнюю часть реактора, куда подается подогретый до 8000 С воздух. Углеродистый остаток от пиролиза отходов сгорает, образуя температуру 16000 С, достаточную для плавления негорючих составляющих. Расплавленный шлак выводится в шлаковую ванну. Дымовые газы, омывая швельшахту, направляются в воздухоподогреватель, а затем, пройдя системы газоочистки, выходят в атмосферу. Пиролиз отходов осуществляется в швельшахте, полученные продукты отводятся через ее верхнюю часть в конденсатор. В конденсаторе из газа выделяются влага и смола. Часть газа отбирается для горелок, расположенных в воздухоподогревателе и в нижней части реактора. По тракту дымовых газов за системой газоочистки установлен газоанализатор, воздействующий через систему регулирования на дроссельные заслонки, установленные на линии уходящих дымовых газов и горючего газа. При появлении в дымовых газах продуктов неполного сгорания открывается дроссельная заслонка в линии горючего газа и прикрывается заслонка в линии уходящих газов. Таким образом, в линию пиролитического газа попадает минимум балластных продуктов полного сгорания уходящих дымовых газов, которые направляются в дымоход. Благодаря такой схеме теплота сгорания получаемого пиролизного газа в основном зависит только от состава и свойств обрабатываемых отходов. Лекция 9. Биохимические методы утилизации ТБО. Прессование ТБО. Складирование и депонирование ТБО. 9.1. Биохимические методы утилизации ТБО Предварительный отбор крупных фракций осуществляется пропусканием отходов через барабанное сито с отверстиями 50 мм, с извлечением черного металлолома. Предварительный отбор мелких фракций производят на барабанном сите с отверстиями 8-12 мм, магнитным сепаратором извлекают металл, затем отходы могут перемешивать в смесителе со сброженным осадком сточных вод. Выбор участка для размещения отходов осуществляется на основании функционального зонирования территории и градостроительных решений. Объекты размещаются за пределами жилой зоны и на обособленных территориях с обеспечением нормативных санитарно-защитных зон (СЗЗ) в соответствии с требованиями санитарно-эпидемиологических правил и нормативов. Участок для размещения полигона токсичных отходов должен располагаться на территориях с уровнем залегания подземных вод на глубине более 20 м с коэффициентом фильтрации подстилающих пород не более 10-4 м/сут.; на расстоянии не менее 2 м от земель сельскохозяйственного назначения, используемых для выращивания технических культур, не используемых для производства продуктов питания. В проекте полигона по всему периметру зоны захоронения должны быть предусмотрены кольцевой канал и кольцевой вал высотой не менее 2 м. Не допускается попадание ливневых и талых вод с участков карт полигона, на которых захоронены токсичные отходы, на любую территорию, особенно используемую для хозяйственных целей. Сбор этих вод осуществляется на специальные карты — испарители внутри полигона. Для предотвращения попадания загрязнений в водоносный горизонт, предусматривается гидроизоляция дна и стен ложа уплотненными глинистыми, грунтобитумно-бетонными, асфальтобетонными, асфальтополимербетонными и другими материалами, имеющими санитарно-эпидемиологическое заключение. Полевое компостирование целесообразно применять в малых городах с населением до 50 тыс. чел. при наличии свободных территорий вблизи города. Рис. 1. Схема размещения бытовых отходов в штабелях Необходимую влажность отходов в штабелях (50-55 %) поддерживают устройством специальных углублений или канавок на штабеле для задержания атмосферных вод или дополнительным увлажнением из сети технического водоснабжения. Продолжительность обезвреживания ТБО на площадках компостирования составляет 6–12 мес. 9.2. Организация работ на полигонах для твердых отходов. Сброс на свалки без соблюдения определенных требований к их проектированию, сооружению и эксплуатации оказывает вредное воздействие на окружающую среду. Происходит загрязнение грунтовых вод фильтратом, появляются мухи, грызуны, образуются болезнетворные микроорганизмы, окружающая территория загрязняется легкими фракциями ТБО. Метод широко распространен во всех странах и обеспечивает захоронение 75-80 % всех твердых отходов. Складирование отходов производится в виде насыпного холма или в карьерах и оврагах. Для уменьшения загрязнения ОС АКХ им. К.Д. Памфилова было предложено вместо неконтролируемых свалок применять полигоны для твердых отходов. Отличительными чертами полигонов являются: сортировка поступающих отходов, складирование отходов на карты, перекрытие слоя отходов слоем грунта, отвод фильтрата и организация системы очистки стоков, контроль за процессом нагревания отходов при их хранении, применение методов тушения очагов самонагревания и самовозгорания. Для такого полигона выбирают место по возможности в глинистом грунте, в котором можно складировать отходы в течение 20 -25 лет и более. На полигонах и свалках происходит длительный процесс разложения отходов в аэробных (при достаточном количестве кислорода) или анаэробных (при недостатке кислорода) условиях. В верхнем слое на глубине до 3 м он заканчивается через 15-20 лет после закрытия свалки, в более глубоких слоях - еще медленнее - через 50-100 лет. Разложение отходов на полигонах сопровождается выделением газов, фильтрата (специфической темно-бурой жидкости с повышенным содержанием нитратов, хлоридов и сульфатов) и незначительного количества теплоты. Температура складируемой массы при влажности 40- 50% не превышает 30-40 °С. Выделение газов (метана, водорода, сероводорода и др.) происходит в течение 5-10 лет и более с момента закладки полигона. При применении изолирующих слоев загрязнение атмосферного воздуха газами распространяется на расстояние не более 50-100 м от границ полигона. Складируемые отходы оседают на 30-50 % первоначальной высоты, особенно в первые 5 лет. В связи с этим и из-за выделения ядовитых и взрывоопасных газов капитальное строительство на закрытых полигонах не рекомендуется. Целесообразно их использовать для сельскохозяйственных целей, устройства зон массового отдыха и лыжно-спортивных комплексов, питомников древесно-кустарниковых насаждений, открытых складов. В последнее время появились интересные проекты использования выделяющихся газов в качестве топлива для городских нужд. В течение суток или короткого времени вывозят отходы на одну площадку полигона и уплотняют бульдозерами послойно до 2-метровой высоты. На следующие сутки отходы вывозят на другую площадку, а предыдущую обязательно укрывают изолирующим слоем глины толщиной 0,25 м. Изоляция грунтом и его последующее уплотнение препятствует загрязнению воздушной среды, а также распространению мух и грызунов. По мере загрузки полигона отходами из разровненных слоев извлекают металлолом. Для сокращения площади полигон загружают многослойно. Конструктивные схемы допускают высоту 60 м. При этом для устойчивой работы бульдозера необходимо устраивать пологий внешний откос, образующий с горизонтом угол в 150. После заполнения полигона поверхность его покрывают растительным грунтом. По гидрогеологическим условиям лучшими являются участки с глинами или тяжелыми суглинками и грунтовыми водами, расположенными на глубине более 2 м. Основание выбранной площади делают в виде огромного корыта глубиной примерно 1,5 м. Фильтрат скапливается в нем, остается в пределах полигона и не загрязняет водоемы и подземные воды. Рис.2. План котлована полигона ТБО Кимовского района Рис. 3. Схема перекачки фильтрата Для сокращения площади полигон загружают многослойно. Конструктивные схемы допускают высоту 60 м. Складируют отходы бульдозерами методами надвига (снизу вверх бульдозером к ранее отложенным отходам) и сталкивания (под откос сверху вниз). Складируемые отходы систематически разравнивают слоями толщиной до 0,5 м и уплотняют двух-, четырехкратными проходами бульдозера или катка-уплотнителя, двигающихся вдоль длинной стороны карты. На каждый уплотненный слой бульдозером (катком) надвигается следующий слой и вновь уплотняется. Операции продолжаются до достижения общей высоты рабочего слоя 2 м. Каждый рабочий слой отходов покрывают (летом ежесуточно, зимой через 3 сут.) с последующим уплотнением промежуточным изолирующим слоем высотой 0,25 м (при уплотнении в 3,5 раза и более допускается 0,15 м). В качестве изолирующих слоев могут быть использованы супесчаные и суглинистые грунты, строительный мусор, зола, шлак, нетоксичные промышленные отходы и др. Рис.4. Схема формирования тела полигона методом надвига «снизу-вверх» 1 – грейдер, 2 – кромка уступа, 3 – грунт для укрытия, 4,5 – бульдозер, 6 – мусоровоз, 7 – слои уплотненных отходов, 8 – рекультивация