Бытовые и промышленные отходы : Задачи и способы их утилизации

    В зависимости от возможности использования  ВМР подразделяются [2]:

1. Реально возможные к использованию, т.е. существуют эффективные условия переработки и использования;
2. Потенциально возможные к использованию, ВМР, использование которых пока экономически и технически нецелесообразно.

    По  источникам своего появления существуют ВМР [2]:

1.    Отходы промышленного производства и строительства – остатки сырья,         материалов или полуфабрикатов, пригодные к использованию в качестве сырья, вспомогательных материалов или готовой продукции;
2.    Отходы сферы потребления:

1. Отходы средств производства, потерявшие непригодность для дальнейшего использования,
2. Отходы предметов потребления – изделия непригодные для использования по назначению, но потенциально годные как вторичное сырье,
3. Твердые бытовые отходы, образующиеся у населения в процессе жизнедеятельности и вряд ли имеющие пригодность;

3. Отходы сферы обращения, т.е. материалы, пришедшие в негодность из-за неосторожной транспортировки, складирования и погрузки-разгрузки.

    Кроме этого ВМР могут быть использованы в местах своего образования или  в других отраслях хозяйства.  

   Малоотходные  и безотходные технологии (МБТ), как  правило, ориентированы на наиболее важные отрасли народного хозяйства: производство и рациональное использование металлов, стройматериалов, древесины, полезных ископаемых. Существует несколько основных направлений по осуществлению МБТ [10]:

1. Создание и внедрение процессов комплексной переработке сырья без образования отходов;
2. Переработка всех видов отходов производства и потребления с получением товарной продукции;
3. Выпуск новых видов продукции с учетом требований ее повторного использования;
4. Применение замкнутых систем промышленного водоснабжения с использованием осадков очистных сооружений;
5. Организация безотходных территориально-промышленных комплексов и экономических регионов.

    При этом необходимо соблюдать ряд условий [3]:

1. Самоочевидное использование всех компонентов того или иного сырья, которые обычно не находят применения вследствие отсутствия необходимых производственных условий и навыков обработки, и причисляются к отходам;
2. Взаимосвязь с экологической обстановкой,  в которой реализуются проекты (выбросы в атмосферу, водоемы, почву, отчуждение пахотных или пригодных для других целей земель под захоронение или складирование);
3. Возможность вовлечения в хозяйственный оборот ресурсов, ранее не использовавшихся;
4. Применение одной или минимума прогрессивных операций в общей технологической цепи приводит к необходимости переводить всю технологическую систему на новый уровень;
5. Возможность получения новых материалов с необходимыми характеристиками;
6. Улучшение условий труда за счет сокращения процессов, сопровождаемых выделением вредных газов и пыли. Устранение вредных компонентов в качестве промежуточных продуктов и катализаторов.

    Многостороннее  и глубокое освоение безотходных  производств – долговременное и  кропотливое дело, которым предстоит  заниматься ряду поколений ученых, инженеров, техников, экологов, экономистов, рабочих разного профиля и  многих других специалистов. Полностью безотходное производство – далекая перспектива, но необходимо уже сейчас решать эту задачу, как на общеэкономическом уровне, так и в отдельных отраслях хозяйства.

4.1. Металлургия

    Переработка руд черных и цветных металлов, их обогащение, литье, прокат, металлообработка – источник потерь колоссального количества металлов.

    Задача  комплексного использования сырья  в металлургии – рациональная полнота извлечения основных и сопутствующих  элементов, утилизация отходов добычи, обогащения руд без нанесения урона окружающей среде. Кроме этого металлургия является весьма земле- и водоемкой отраслью [11]. Несмотря на наличие технологий извлечения ценных попутных компонентов из железной руды на большинстве комплексных месторождений, полезные материалы сбрасываются в отвалы. Среди ценных компонентов руд черных металлов (Fe, Mn, Cr) встречаются W, Ti, Co, Ni, Zn, Cu, редкие металлы [11].  При обогащении и обработке руд большое количество отходов при соответствующей обработке может стать товарными продуктами. Часто в попутно извлекаемой породе (особенно при открытом способе добычи) содержатся многие нерудные полезные ископаемые, среди них [10, 11]: мел, пригодный для известкования почв и наполнителя при производстве красок; сланцы для изготовления щебня; глины и суглинки – сырье для фаянсовой промышленности и изготовления технической керамики, эмалей, цветного стекла; кварцевые пески для стекольной промышленности; мергель, являющийся сырьем для изготовления извести и цемента; граниты и гнейсы.

    В доменной печи образуется за счет пустой породы руды и золы кокса шлаки, в состав которых входят CaO, SiO₂, FeO, MgO, Al₂O₃, CaS, MnS, FeS, TiO₂, соединения P, в зависимости от соотношения компонентов шлаки могут быть основные, нейтральные и кислые. При мартеновском способе основные шлаки способны удалять в процессе выплавки из металла примеси серы и фосфора.

    Шлак  – ценное сырье для строительной и дорожно-строительной отраслей. Шлаковый щебень в 1.5 – 2 раза дешевле природного, шлаковая пемза – втрое дешевле  керамзита и требует меньше удельных затрат. Использование гранулированного шлака в цементной промышленности увеличивает выход цемента, снижает себестоимость и удельные затраты на его производство по сравнению с естественным сырьем – цементным клинкером. Применение шлаков при вторичной переработке металлов для раскисления стали, сокращает расход дефицитного ферросилиция. Допустимо даже применение металлургических шлаков в качестве абразивного материала для очистки днищ судов. Конвертерные шлаки могут использоваться в гидротехническом строительстве для обсыпки дамб вместо грунта. [10]

    Для доизвлечения железа из отходов применяется  обратная флотация хвостов, прямая флотация руды, сухая магнитная сепарация, магнитно-флотационный способ [11].

    Использование шламов уменьшает содержание железа в доменной шихте, снижает производительность доменных печей, увеличивает расход кокса [13].

    Истощение богатых месторождений хромовых руд вызвало необходимость постоянно  наращивать мощности по добыче и обогащению бедных руд или руд, недостаточно эффективно обогащаемых механическими методами. Для этого был разработан специальный процесс, предусматривающий прокалку на воздухе (630 – 750° С) дробленой руды (частицы менее 15 мм), измельчение пека (до 0.1 мм), приготовления водной суспензии, ее карбонатизация – так можно получить углеродистый феррохром вместо кондиционной руды и кварцита [13].

    Во  всех металлургических процессах образуется значительное количество пыли, которую  необходимо улавливать и утилизировать  с целью извлечения содержащихся в них металлов и поддержания необходимого уровня охраны окружающей среды.

    Для этого применимы системы сухого и мокрого пылеулавливания. Основная проблема при улавливании металлургической пыли – повышенное содержание цинка  и свинца, которые нарушают процессы пылеулавливания и собственно выплавки.

    В США Zn и Pb выделяются путем сбора пыли, содержащей кроме них железо, и последующего дробления так, что более мелкие частицы состоят в основном из соединений цинка и свинца, а более крупные в основном из Fe₂O₃, что основано на различной хрупкости упомянутых соединений. Кроме этого используется восстановительный обжиг окускованной пыли, возгонка с улавливанием конденсата, магнитная сепарация и флотация. В Германии для данных целей используются растворы серной, азотной или уксусной кислот, которые способны растворить почти весь Zn,  но при малых его концентрациях раствориться может и железо. В Японии разделение Fe- и Zn-содержащих отходов обычной магнитной сепарацией. В Бельгии и Люксембурге цинк и свинец из Fe-содержащих отходов выделяются методом флотации и экстракции щелочными растворами. [11]

    Кроме оксидов железа, свинца и цинка  пыль и шламы содержат оксиды Mn, Mg, Ca, Cr, Ni, Cd  и других элементов, которые можно использовать.

    Пыли  и шламы ферросплавного производства, состоящие главным образом из аморфного диоксида кремния, пригодного для промышленного и жилищного строительства.

    Особое  место занимают установки улавливания  SO_X и NO_X, т.к. этот процесс весьма затруднителен вследствие низких концентраций данных веществ.

    В работах [10 и 13] упоминается, что существует опыт использования шламов сероочистки  после мокрой известковой обработки  для мелиорации почв, что увеличивает  содержание в почве кальция, магния, кремния и уменьшает количество алюминия, меди, цинка, мышьяка, марганца. Действие подобного рода удобрений не ослабевает в течение пяти лет и прибавляет урожай зерновых и кормовых культур на 25 – 30 % (4 – 5 т шлама на 1 га). 

    Нефелин – один из компонентов аппатито-нефелиновых  руд, являющихся сырьем для химической промышленности, содержит, помимо фосфора, алюминий, натрий, калий, титан, железо, стронций, редкие металлы. Нефелин является альтернативой бокситам, сырью для алюминиевой промышленности и месторождения которых постоянно истощается. Из попутных продуктов, получающихся при  переработке нефелиновых руд в глинозем, можно производить и уже производятся содовые продукты и цемент. Существуют два основных способа переработки нефелиновых руд [11]:

    Спекательно-щелочной способ. Сущность метода заключается в высокотемпературном разложении нефелина в присутствии СаСО₃. При этом содержащиеся в нефелине глинозем  щелочи образуют алюминаты Na и K, а кремнезем – дикальциевый силикат. Путем дальнейшей переработки получаемых продуктов обеспечивается получение глинозема, содо-поташного раствора, используемого для производства соды и поташи, и нефелинового шлама – сырья для производства цемента.

    Гидрохимический способ. Данный метод основан на автоклавном разложении нефелина концентрированным раствором едкой щелочи в присутствии извести. В результате образующиеся из алюминатов и силикатов щелочные алюмосиликаты остаются в осадке. Процесс оптимально протекает при 260 – 300° С и 3 МПа. Однако гидрохимический способ переработки нефелиносодержащего сырья требует большое количество щелочи, высокий расход тепла и повышенного водного баланса.

    На  пути к созданию экологичной и  малоотходной металлургии зарубежными  государствами был накоплен немалый  опыт. В разных странах мира применяются  различные методы утилизации и переработки  отходов металлургии: в автодорожном и железнодорожном строительстве, в сельском хозяйстве в качестве удобрений, в строительной промышленности и других отраслях.

    Несомненное лидерство в этом принадлежит  Японии. При выплавке марганцевых  сплавов образуется большое количество газов (700 м³/г углеродистого ферромарганца), часть которого (СО₂) весьма эффективно (на 84 %) используется в качестве источника тепла сушки сырых материалов, что позволяет сэкономить до 16 млн. т в год мазута. Доменный газ применяется для производства метанола, этанола, этиленгликоля, этилена, пропилена, уксусной кислоты, коксовый газ – в производстве метанола и аммиака.[11]

    Ярким примером использования безотходной  технологии в нашей стране может  служить Пикалевский глиноземный  комбинат [22].

4.2. Топливно-энергетический комплекс

    ТЭК – один из крупнейших загрязнителей  окружающей среды твердыми, жидкими  и пылевидными отходами, т.к. сам  процесс производства тепловой или  электрической энергии подразумевает  сжигание органического топлива  с неизбежным образованием токсичных компонентов. Кроме этого с отходами добычи и обогащения топлива теряется большое его количество.

    Существует  классификация на основе литологического  состава отходов добычи и обогащения углей [29]:

• Глинистые (> 50 % глин);
• Песчаные (> 40 %  песчаника и кварцита);
• Карбонатные (> 20 % карбонатов).

    Кроме этого отходы различаются по физико-химическим и теплофизическим свойствам, по характеристике органического вещества и др.

    Породы  вскрыши, отличающиеся высоким содержанием  минеральных веществ, могут быть использованы для энергетических целей после предварительного обогащения с получением кондиционного по зольности продукта. Породы вскрыши могут применяться как закладочный материал для рекультивации земель, а шахтные – для закладки  шахтного пространства. Возможно применение даже без селективной обработки слагающих литологических разностей как сырье для производства пористых заполнителей для легких бетонов, керамических материалов, при строительстве дамб и других сооружений [29], кислотостойких мастик, в строительстве домов и дамб, в фильтровых установках [11].