Новые технологии в утилизации и переработки бытовых отходов

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с Федеральным законом от 29.12.2012 № 458-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об отходах производства и потребления», твердые коммунальные отходы (далее ТКО) – это отходы, образующиеся в жилых и нежилых помещениях в процессе потребления физическими лицами, а также товары, которые утратили свои потребительские свойства в процессе потребления их физическими или юридическими лицами в целях удовлетворения личных и бытовых нужд.
На сегодняшний день, основным способом утилизации более 95% образующихся в России отходов является их захоронение на полигонах, где ТКО уплотняются и складируются; при их разложении образуется биогаз, загрязняющий атмосферу. Помимо этого, происходит вымывание солей тяжелых металлов дождевой и талой водой, которые попадают в грунт и подземные водные горизонты.
Отходы, при их бесконтрольном размещении на свалках, негативно воздействуют на окружающую среду, являясь источником поступления вредных химических и биологических веществ в грунтовые и поверхностные воды, атмосферный воздух и почву, создавая определенную угрозу здоровью и жизни населения.
Поэтому предотвращение попадания вредных веществ из отходов во внешнюю среду является важнейшей задачей экологической безопасности при обращении с коммунальными отходами.
Проблемы переработки и утилизации бытовых отходов связаны со сложностью их морфологического состава; учитывая морфологический состав сегодняшних твердых коммунальных отходов (ТКО) – наличие в них твердых пластиков, пленки, целлофановых пакетов, образующих диоксины – сильнейшего яда, который накапливается в организме и вызывает злокачественные образования у человека; пищевые отходы, содержащие антибиотики и другие химические образования. Кроме того, под любой свалкой образуется фильтрат, который чрезвычайно ядовит, содержит высокотоксичные вещества, нефтепродукты, соли тяжелых металлов, канцерогены, болезнетворную микрофлору и другие органические и неорганические соединения, – все это попадает в почву, а оттуда в грунтовые воды и отравляет все живое.
Для каждого вида отходов разрабатывается своя технология с оптимальными технологическими параметрами, в том числе нанотехнология для каждого вида отхода или композитная технология, где один вид отходов гармонично дополняет другой для достижения наибольшего технико-экономического эффекта.
Целью работы является анализ инновационных технологий при утилизации и переработки бытовых отходов.
Необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ основных технологий переработки твердых коммунальных отходов
2. Дать оценку воздействия продуктов переработки ТКО на окружающую среду и пути ее снижения
3. Разработать урок по химии для учеников 8 класса «Основы переработки твердых бытовых отходов».

 
1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ
1.1. Термические методы переработки ТКО

От простых мусоросжигательных установок с водяными стенками конца 19 века концепция сжигания отходов в энергию претерпела значительные изменения. Первоначально переработка отходов вообще не преследовала цели рекуперации энергии. На сегодняшний день существуют современные установки, которые оснащены не только механизмами рекуперации тепла и энергии на комбинированных теплоэлектростанциях, но и сложными механизмами очистки дымовых газов, утилизации сточных вод и высокоэффективной ассимиляции различных потоков отходов [1-14]. Традиционные технологии переработки отходов ТКО представлены на рисунке 1.1.


Рисунок 1.1 – Технологии переработки отходов ТКО

Сжигание, газификация и пиролиз - это процессы преобразования тепловой энергии, доступные для термической обработки твердых отходов. В результате применения этих процессов получаются различные продукты, и в различных типах технологий могут использоваться различные системы рекуперации энергии и остаточных материалов.
Газификация – это процесс термохимического превращения углеродсодержащих материалов в газообразный продукт при высоких температурах с помощью газифицирующего агента. Агент газификации (другое газообразное соединение) позволяет быстро превращать исходное сырье в газ посредством различных гетерогенных реакций]. Газообразный продукт, полученный в ходе этого процесса называется синтетическим газом или производственным газом, и в основном он содержит водород, монооксид углерода, двуокись углерода и метан. Также можно обнаружить небольшое количество инертных газов, углеводородов, смол и газовых загрязнителей. В зависимости от действия газифицирующего агента газификацию можно разделить на две категории. Если газифицирующий агент частично окисляет исходный материал, это называется прямой газификацией. Во время прямой газификации для поддержания температуры процесса реакция окисления обеспечивает необходимую энергию. Если процесс газификации занимает происходит без помощи газифицирующего агента, это называется непрямой газификацией [7, 11]. Обычно для непрямой газификации используется пар, поскольку он легко доступен. Кроме того, это увеличивает содержание водорода в производственном газе [17] из углерода и водорода, которые легко превращаются в горючие газы в летучих веществах, включены в исходное сырье. Количество, состав и характеристики химических соединений, выделяющихся в результате удаления летучих веществ, зависят от нескольких факторов, таких как первоначальный состав и структура отходов, температура, давление и скорость нагрева, определяемые конкретными типами реакторов. При улетучивании образуются различные газовые композиции, и эти газы образуются за счет водорода и углерода в отходах (таблица 1.1)[16-18].
Таблица 1.1 – Реакции при сжигании топлива
Реакции окисление
1
- 111 МДж/кмоль Частичное окисление углерода
2
- 283 МДж/кмоль Окисление монооксида углерода
3
- 394 МДж/кмоль Окисление углерода
4
- 242 МДж/кмоль Окисление водорода
5
Экзотермический Частичное окисление аммиака
6
+131 МДж/кмоль Реакция с отходящим газом
7
-41 МДж/кмоль Реакция водогазового сдвига
8
+ 206 МДж/кмоль Паровой риформинг метана
9
Эндотермический Паровой риформинг
10
- 75 МДж/кмоль Гидрогазификацияч
11
- 227 МДж/кмоль Метанирование
12
+ 172 МДж/кмоль Реакция
13
Эндотермический Сухой риформинг
14
Эндотермический Дегидрирование
15
Эндотермический Карбонизация

Многие химические реакции протекают в восстановительной среде, которая имеет значительно меньшую степень окисления (25-50%), чем стехиометрическое окисление. Согласно таблице 1.1, в процессе автотермической газификации частичное окисление горючего газа, паров и обугливания контролируется количеством воздуха, кислорода или воздуха, обогащенного кислородом. Кроме того, это тепло необходимо для термического крекинга смолистых углеводородов и газификации угля паром, а диоксид углерода поддерживает рабочую температуру газификатора. Следуя энтальпии реакций 1, 2 и 3 в таблице 1.1, в процессах автотермической газификации около 28% теплотворной способности углерода расходуется на совместное производство, а оставшиеся 72% теплотворной способности углерода сохраняются в газе. Теплотворная способность газа обычно составляет от 75 до 88% от исходного топлива, поскольку он также содержит некоторое количество водорода. Если бы это значение составляло 50% или ниже, газификация с использованием угля, биомассы и отходов, вероятно, никогда бы не стала таким интересным процессом [18]. С другой стороны, в процессе аллотермической газификации тепло подается от внешних источников, которые являются использование материалов с нагретым слоем, сжигание угля или газов и использование плазменного прикосновения.
Термические методы переработки отходов могут быть условно разделены на две группы по температурному режиму работы и конструкции реакторов (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Виды термической переработки отходов
Сжигание – самый популярный способ (рисунок 1.3) [19]. На выходе образуется зола, занимающая значительно меньше места, нежели первоначальные ТКО. Как правило, оставшаяся зола вывозится. Этот способ имеет недостатки. В процессе сжигания ТКО выделяется большое количество токсичных веществ. Остатки веществ пагубно влияют на природу поблизости этого места. Чтобы избавится от этого недостатка, необходимо применять печи дожигания. Они осуществляют нейтрализацию вредных веществ. Современные мусоросжигательные печи имеют систему очистки и генератор электроэнергии.

Рисунок 1.3 – Технология переработки ТКО методом сжигания
Преимуществами этого метода являются небольшие финансовые затраты, уменьшение объема остатков. Кроме того, выделившееся в процессе сжигания тепло можно использовать для выработки электроэнергии и для отопления. Главным недостатком является токсичность. Большую проблему представляют обезвреживание и использование отходов массового потребления полимеров, увеличивающихся из года в год [20].
ТКО после механической сортировки состоят в основном из углеводородных соединений, и следует рассматривать химические реакции при высоких температурах. Рассмотрим интересующие нас процессы: с выделением тепла – окисление углерода и горение смолистых веществ; с поглощением тепла – нагрев влаги (в ТКО ее содержится до 30–50 %) и смолистых соединений до температуры кипения и их испарение, а также процесс образования СО при прохождении СО2 через углеродосодержащие вещества (разогретый углерод).
Опишем эти процессы в следующем виде [5]:
– высокотемпературные реакции:
Н2О ↔ НО + Н – 57,8 ккал; (1.1)
С + О2 ↔ СО2 + 94,0 ккал; (1.2)
СО + Н2О ↔ СО2 + Н2 + 92,1 ккал; (1.3)
СО + 1/2 О2 ↔ СО2 + 67,6 ккал; (1.4)
– низкотемпературные реакции:
С +1/2 О2 ↔ СО +26 ккал; (1.5)
С + Н2О ↔ СО + Н2 – 31,4 ккал; (1.6)
С + 2Н2О ↔ СО2 + 2Н2 – 21,6 ккал; (1.7)
СО2 + С ↔ 2СО – 41,2 ккал; (1.8)
– нагрев влаги и ее испарение:
Q = –1,44 ккал (нагрев от 20 ºС до 100 ºС) – 9,7 ккал (теплота парообразования).
Если в 80-х годах прошлого столетия их в основном утилизировали на свалках и сжигали вместе с ТБО и другими отходами, то в последние десятилетия наблюдается увеличение доли рециклинга.
Термические методы переработки и утилизации пластмасс можно разделить на два вида:
– непосредственное сжигание, при котором получается только тепло и энергия;
– пиролиз, при котором образуется жидкое и газообразное топливо.
Для повышения экологической безопасности необходимым условием при сжигании мусора является соблюдение ряда принципов. К основным из них относятся:
– температура сжигания, которая зависит от вида сжигаемых веществ;
– продолжительность высокотемпературного сжигания, зависящая также от вида сжигаемых отходов;
– создание турбулентных воздушных потоков для полноты сжигания отходов.
Различие отходов по источникам образования и физико-химическим свойствам предопределяет многообразие технических средств и оборудования для сжигания.
Способ утилизации бытовых отходов пиролизом известен достаточно мало, особенно в нашей стране из-за своей дороговизны. Утилизация отходов методом пиролиза ограничивается определённым их перечнем, который представлен на рисунке 1.4 [21].


Рисунок 1.4 – Виды отходов для переработки методом пиролиза
Он может стать дешевым и не отравляющим окружающую среду приемом обеззараживания отходов. Технология пиролиза заключается в необратимом химическом изменении мусора под действием температуры без доступа кислорода. По степени температурного воздействия на вещество мусора пиролиз как процесс условно разделяется на низкотемпературный (до 900 °C) и высокотемпературный пиролиз (свыше 900 °C).
Процесс пиролиза протекает при очень высоких температурах, 750-900 °C, при давлении, близком к атмосферному. В этих условиях реакции крекинга одной или нескольких ковалентных углерод-углеродных (С-С) связей происходят по свободно радикальному механизму. Следовательно, образуется большее число более мелких молекул. Одновременно протекает реакция дегидрирования путем крекинга связи углерод-водород (С-Н).
полное сгорание
CH + O2 → CO2 + H2O
неполное сгорание
CH + примеси + O2 + N2 → SxOx + NxOx + ЛОС
где ЛОС – летучие органические соединения.
При пиролизе наблюдаются реакции полного разложения СН4→С+2Н2
Реакции пиролиза протекают по радикально-цепному механизму. Согласно ему превращение углеводородов проходит несколько стадий: зарождения цепи, развития цепи и ее обрыв. На первой стадии исходная молекула углеводорода разрушается на два свободных радикала под воздействием высоких температур. Разрыв молекулы происходит по связи С-С. Далее эти радикалы вступают в реакцию с молекулой углеводорода большего размера и отрывают от нее атом водорода, в результате чего образуется новый алифатический радикал, который распадается по связи С-С, находящейся в β-положении (вторичном) к атому углерода, от которого был оторван водород. При протекании вторичной реакции β-распада образуется устойчивая молекула и активный радикал метильный или этильный. При этом образующийся радикал может снова вступать в реакцию и является источником зарождения новых цепей. На стадии развития цепи могут образовываться разные радикалы – этот процесс зависит от строения молекулы углеводорода, являющейся «донором» водорода.