Технологии переработки отходов и производства удобрений из илового осадка

Даже при достаточных площадях под новые полигоны сама их система неустойчива. В итоге человечество может получить покрытый «пирамидами» отходов ландшафт и сотни тысяч людей, обслуживающих полигоны.

Выходом из положения может стать вторичная переработка отходов – рециклизация. Существует множество способов вторичной переработки различных типов отходов. Назовём наиболее широко применяемые технологии: - макулатуру измельчают в бумажную массу, из которой изготовляют различную бумажную продукцию; - стекло дробят, плавят и делают из него новую тару или дробят и используют вместо гравия или песка при производстве бетона и асфальта; - пластмассу переплавляют и изготовляют из неё «синтетическую древесину», устойчивую к биодеградации и обладающую громадным потенциалом как материал для различных ограждений, настилов, столбов, перил и других сооружений под открытым небом; - металлы плавят и перерабатывают в различные детали – это позволяет экономить до 90 % электроэнергии, необходимой для выплавления металлов из руды; - пищевые отходы и садовый мусор компостируют с получением органического удобрения; - текстиль измельчают и используют для придания прочности макулатурной бумажной продукции; - старые покрышки переплавляют с изготовлением новых резиновых изделий.

Кроме этих, имеются сотни других промышленных методов переработки отходов.

Практически от 30 до 50 % присутствующего в канализационных стоках органического вещества входит в ил-сырец, оседающий в отстойниках и на других стадиях очистки. Он представляет собой густую, чёрную, зловонную массу, состоящую примерно на 98 % из воды и на 2 % из органики, включающей множество патогенных организмов. После соответствующей обработки из него можно получить гумус и использовать его как удобрение.

Обработка ила основана на питании им бактерий и других детритофагов. Это может происходить двумя способами: - в отсутствие воздуха – анаэробное сбраживание. - в присутствии воздуха – компостирование; I. Анаэробное сбраживание.

Ил-сырец помещают в крупные герметичные баки. В отсутствии кислорода бактерии питаются илом (анаэробное сбраживание), в качестве побочного продукта вырабатывая биогаз. Он содержит углекислый газ и вещества, придающие стокам дурной запах, но практически на 60 % состоит из метана. Последнее обстоятельство даёт возможность использовать биогаз как топливо. На практике его используют для нагревания самих баков с целью поддержания в них оптимальной для организмов температуры около 38°С.

Сбраживание завершается через 4-6 недель, и в баках остаётся обработанный ил – водный раствор гумуса. Этим раствором можно удобрять сельскохозяйственные поля и газоны прямо в жидком виде, так как полезны и гумус, и богатая биогенами вода. Обработанный ил можно отфильтровать и получить полутвёрдый гумусовый кек, правда, вместе с отфильтрованной водой пропадает основная часть биогенов, что снижает питательную ценность кека. II. Компостирование.

Для компостирования ил-сырец отфильтровывают, смешивают с древесиной стружкой или другим материалом для улучшения аэрации и складывают в кучи или компостные ряды. Аэрацию повышают, дополнительно подавая воздух или механически перемешивая. В компостных кучах бактерии и другие редуценты и детритофаги перерабатывают органику в гумусоподобную массу. Тепла, выделяемого при дыхании, оказывается достаточно для гибели патогенных организмов.

После шести или восьми недель компостирования от древесной стружки отделяют гумус, готовый для применения на полях.

В последние годы всё большее развитие получает совместное компостирование твёрдых бытовых отходов и осадка сточных вод. Эта технология способствует насыщению компоста микрофлорой и микроэлементами и позволяет в оптимальном режиме поддерживать биотермический процесс. Он сопровождается нагреванием массы до 6070°С. При этом гибнет большинство болезнетворных микроорганизмов, яйца гельминтов, личинки мух.

Сжигание твёрдых отходов целесообразно в случае использования тепловой энергии и очистки отходящих газов. Этот процесс происходит на мусоросжигательных станциях, имеющих паровые котлы со специальными топками. Температура в топке должна быть не менее 1000°С для того, чтобы сгорали все дурнопахнущие примеси газов и не происходило бы зашлаковывания колосников. Перед выходом в дымовую трубу газы очищаются, например, с помощью электрических фильтров. Металлический лом отделяется от шлака электромагнитным сепаратором. Другие негорючие остатки требуют захоронения, но они составляют лишь 10-20 % от исходного объёма мусора.

Использование всех рассмотренных в этой главе способов уменьшения загрязнения окружающей среды не позволяет решить проблему в полной мере и сопряжено с ростом затрат на их реализацию. Альтернативой является внедрение безотходных и малоотходных производств.

Под безотходными производствами можно понимать совокупность технологических процессов, в которых отходы одних используются в качестве сырья для других, что обеспечивает практически их полную утилизацию. Например, зола, образующаяся при сжигании органического топлива, может быть использована при производстве силикатного кирпича, как наполнитель бетонов и т.п.

Создание безотходных производств является весьма сложным и длительным процессом, промежуточным этапом которого является малоотходное производство. При малоотходном производстве воздействие на окружающую среду не превышает уровня, установленного санитарногигиеническими нормами. При этом по различным причинам (техническим, экономическим, организационным и др.) часть сырья и материалов может переходить в отходы и направляться на хранение или захоронение.

Малоотходная и безотходная технологии должны обеспечить: - комплексную переработку сырья с использованием всех его компонентов; - создание и выпуск новых видов продукции с учётом требований повторного её использования; - переработку отходов производства и потребления с получением товарной продукции или любое полезное их использование без нарушения экологического равновесия; - использование замкнутых систем промышленного водоснабжения; - создание безотходных комплексов.

Этапы развития малоотходных и безотходных производств: 1) малая ресурсоёмкость и незначительные выбросы в окружающую среду; 2) создание цикличности производств – отходы одних являются сырьём для других; 3) организация разумного захоронения неминуемых остатков и

Все этапы могут быть одновременными. В результате сокращаются экономические издержки производства, достигается комплексность использования сырья, и более эффективно решаются проблемы уменьшения загрязнения окружающей среды отходами.

Производственная и другая деятельность человека приводит не только к химическому загрязнению биосферы, рассмотренному в предыдущих главах. Всё возрастающую роль в общем потоке негативных антропогенных воздействий на биосферу приобретает её физическое загрязнение. Последнее связано с изменением физических параметров внешней (окружающей) среды, то есть с их отклонением от параметров естественного фона.

В настоящее время наибольшее внимание привлекают изменения электромагнитных и вибро-акустических параметров (условий) окружающей среды. Как правило, в литературе они рассматриваются как волновые или энергетические загрязнения.

Спектр частот известных сегодня электромагнитных колебаний чрезвычайно широк: от близких к нулю до 3·1022 Гц (рентгеновское излучение). В связи с этим обстоятельством и различием способов получения и регистрации, а также в связи с многообразием проявлений электромагнитных колебаний весь спектр разбит на несколько диапазонов.

1.Радиоволны, возбуждаются при движении электрических зарядов в системах, образованных телами макроскопических (надмолекулярных) размеров, частоты 0 6·1012 Гц 5·10-5 м, согласно международному регламенту радиосвязи длины (частоты) радиоволн делятся на 12 диапазонов, начиная с крайне низких частот 3···30Гц, кончая гипервысокими частотами 0,3···3 ТГц.

2.Оптические волны (излучения), возбуждаются при движении электрических зарядов в системах атомно-молекулярных размеров. Спектр частот, f = 3⋅1011···3⋅1016 Гц (границы условные), λ = 10-3···10-8 м. Весь спектр оптического излучения разделён на три диапазона: - инфракрасное, f = 3⋅1011···3,9·1014 Гц, λ = 10-3... 0,77·10-6 м, или тепловое излучение; - видимое, f = 3,9⋅1014···∼7,9⋅1014 Гц, λ = 0,77⋅10-6···0,38⋅10-6 м, или световое излучение; - ультрафиолетовое излучение, f = 7,9⋅1014···3⋅1016 Гц, λ = 0,38⋅10-6···10-8 м.

3.Ренгеновское излучение, возникает при взаимодействии заряженных частиц и фотонов с атомами вещества, f = 3⋅1015···3⋅1022 Гц, λ = 10-8···10-14 м.

4.Гамма-излучение, генерируется возбуждёнными ядрами атомов при радиоактивных превращениях и ядерных реакциях, при распаде частиц и т.п 3⋅1018 Гц 10-10 м.

Общепризнано, что в настоящее время наибольший вклад в энергетическое загрязнение окружающей среды вносят изменения её электромагнитных параметров в диапазонах частот, соответству-ющих областям радиоволн (собственно электромагнитное загрязнение), инфракрасного, или теплового излучения (тепловое загрязнение), рентгеновского и гамма-излучения, которые вместе с α - и β - частицами (испускаются радионуклидами – нестабильными ядрами радиоактивных элементов: уран, торий, полоний, радий и др.) являются причиной радиоактивного загрязнения биосферы, а также изменение виброакустических параметров (вибро–акустическое загрязнение).

Одной из основополагающих компонент комплекса мер по защите окружающей среды от энергетических загрязнений является их нормирование, то есть установление того уровня энергетического загрязнения, превышение которого недопустимо при организации в данном месте нового производства (завод, ТЭС и т.п.) или реконструкции прежнего. Если при химическом загрязнении этим предельным уровнем является предельно допустимая концентрация, ПДК (см. разд. 7.5.), то при энергетическом загрязнении введён предельно допустимый уровень, ПДУ, энергетического загрязнения. Его смысл соответствует смыслу ПДК. Как и в случае ПДК, ПДУ устанавливается отдельно для рабочей зоны и для окружающей среды (населённой местности). Последний всегда меньше, чем ПДУ для рабочей зоны. В большом числе случаев это различие составляет 10 раз, что можно объяснить двумя обстоятельствами. Вопервых, в рабочей зоне, то есть на производстве, заняты, выражаясь эколого-биологическим языком, оформившиеся (физически и биологически) человеческие особи.Их устойчивость к воздействию вредных факторов (диапазон толерантности) выше, чем у другой части населения: детей, пожилых и престарелых людей, а также просто физически слабых людей. Во-вторых, в значительной мере это различие предопределено тем, что в большинстве случаев вредный фактор формируется именно в рабочей зоне, где он имеет максимальные значения; по мере распространения в окружающем пространстве он уменьшает свою интенсивность, так что вне производственной территории его интенсивность априорно меньше, чем в рабочей зоне. Получается, что в определённой степени это двойное нормирование лишь фиксирует объективное распределение интенсивности вредного фактора в пространстве (речь идёт и о химическом, и об энергетическом загрязнении).

Конечно, в глубинной основе сегодняшнего нормирования вредных экологических факторов лежат и экономические соображения. Читатель сейчас же согласится с тем, что лучше всего – сделать так, чтобы и концентрация вредных веществ, и интенсивность энергетических факторов были пренебрежимо малыми. Увы, в том-то и состоит обратная сторона медали технического прогресса и в этом-то и заключены истоки Глобального экологического кризиса, что не всегда удаётся оформить технологию производства так, чтобы полностью исключить её вредные воздействия.

Рынок в принципе антиэкологичен. Рыночному производителю надо либо вкладывать большие средства в доводку технологии до устранения вредных воздействий, и тогда его “поезд может уйти”, либо он прорывается в рынок со своим товаром (услугой), неся за ним шлейф экологических издержек. Но этот шлейф экологических издержек (явно вредных, их по всем человеческим меркам надо устранять!) согласуется (!) с надзорно-контрольными экологическими органами на основе компромиссной концепции ПДК и ПДУ, и вот уже товар пошёл гулять по свету, внося свой вклад в тот планетарный феномен, который мы сегодня называем Глобальным экологическим кризисом.

В принципе, тем не менее, компромиссная концепция ПДК (предельно допустимых концентраций) и ПДУ (предельно допустимых уровней) сегодня – реальный и действенный инструментарий защиты окружающей среды. И он найдёт свое место в процессе реализации концепции устойчивого развития. Но свои конструктивные приложения он найдёт лишь в развитии.

Направленность его развития: уровни ПДК и ПДУ должны снижаться. Жизнь, то есть практика реализации концепции устойчивого развития, подскажет, каким должен быть темп ужесточения экологических нормативов. Разумеется, он должен быть оптимальным: ни излишне быстрым, ни слишком медленным. Он будет таким, каким его определит Коллективный Разум мирового сообщества – с постоянным учётом темпа развития Глобального экологического кризиса.

Но, по-видимому, дело будет заключаться не только в постоянном ужесточении экологических нормативов в их сегодняшнем виде. Скорее всего, будет изменяться и философия (критерии) самих экологических нормативов, в частности, нормативов для энергетических загрязнений.

В соответствии с современными представлениями о взаимодействии энергетического фактора с организмом можно обозначить следующую логику определения (поиска) ПДУ. Например, применительно к акустическому (шумовому) фактору.

Пройдя длительный эволюционный процесс, человек адаптировался к реальному спектру акустических воздействий. В ходе эволюции оказалось нецелесообразным для слухового аппарата человека регистрировать звуковые сигналы с плотностью потока энергии акустических колебаний воздушной среды, меньшей чем 10-12 Вт/м2 (зона превентивного торможения): по-видимому, все явления окружающего мира, сопровождаемые эмиссией звуковых сигналов с плотностью потока энергии, меньшей, чем 10-12 Вт/м2 (пороговая чувствительность), не играли значимой роли в жизнедеятельности наших доисторических предков и поэтому инстинктивно “обрезались”.

Более энергоёмкие сигналы несли более значимую информацию, в итоге наш слуховой аппарат воспринимает звуковые сигналы в чрезвычайно широком диапазоне плотностей потока энергии, который образует информационную зону. Все звуки в этой зоне помогали доисторическому человеку (и помогают нам) ориентироваться в окружающем мире.

Правая (верхняя) граница этого диапазона плотностей потока звуковой энергии, и более высокие её значения, по-видимому, соответствовали тем реальным звуковым сигналам, которые также реально не несли значимую информацию (иначе слуховой аппарат приспособился бы к ним). Это – зона запредельного торможения, поскольку данные сигналы специфически восприниматься не могут, так как нарушают нормальную саморегуляцию организма, и последний вынужден защищаться от их действия охранительным торможением.

В качестве верхней границы информационной зоны естественно принять величину, сопоставимую с энергией основного обмена организма, пересчитанную на эквивалент плотности потока энергии. Энергия основного обмена, практически одинаковая для всех теплокровных животных, составляет:

Если выразить эту величину в децибелах по отношению к порогу чувствительности

L = 10Lg −12 ≅ 107дБ, (9.1) то получим усреднённый уровень звукового давления на верхней границе информационной зоны. Она соответствует энергии основного обмена в состоянии организма между покоем и интенсивной мышечной работой. В последнем случае энергия основного обмена может возрасти в 5-8 раз, то есть примерно на порядок величины. Для этого случая L = 117 дБ ≅ 120 дБ. Соответственно, для состояния покоя L ≅ 100 дБ. Одновременно это нижняя граница зоны запредельного торможения, или зоны энергетического воздействия.

Таким образом, величина энергии основного обмена, точнее спектр величин этой энергии, соответствующий спектру состояний организма между покоем и интенсивной мышечной работой (в децибелах этот спектр выражается как 100···120 дБ), может рассматриваться как исходная величина при установлении теоретических ПДУ энергетических загрязнений (воздействий). Причём это может быть отнесено к каждому энергетическому воздействию: в ходе эволюции организмы адаптировались ко всем энергетическим воздействиям, по каждому из них организмы имеют информационную зону и, соответственно, верхнюю границу этой зоны, сопоставимую с энергией основного обмена. Естественно поэтому в качестве некоторого приближения ПДУ тго или иного энергетического воздействия рассматривать его параметры, соответствующие энергетике основного обмена.

Экологическое нормирование энергетических воздействий на биосферу

При использовании иловых осадков в качестве органических удобрений необходимо учитывать уровень не только химических, но и физических (энергетических) загрязнений. В основе эколого-гигиенического нормирования лежит концепция энергетического порога. Если физическое воздействие превышает допустимый уровень, в биологических системах возникают необратимые изменения, снижающие их жизнеспособность. На клеточном и субклеточном уровнях реагируют процессы обмена веществ, роста и развития, а на организменном уровне проявляются изменения в поведении и общей продуктивности.

Установление предельно допустимых уровней (ПДУ) энергетических воздействий — сложная задача, так как живые организмы физиологически неоднородно реагируют на внешние поля. В настоящее время однозначных универсальных значений ПДУ для всех видов физических воздействий не существует. Однако сформированная научная методология позволяет развивать экологическое нормирование в строгом соответствии с запросами сельскохозяйственной практики.

Базовые понятия дозиметрии и пределы радиационной нагрузки

Контроль безопасности илового осадка включает оценку радиоактивности — самопроизвольного распада атомных ядер с превращением химических элементов или их изотопов. Каждый акт распада сопровождается испусканием альфа- или бета-частиц, нейтронов или гамма-квантов, способных ионизировать среду. Вещества, содержащие радионуклиды (атомы с разным числом нуклонов, протонов или нейтронов), являются источниками ионизирующего излучения (ИИ). Излучение может быть как внешним (от источников вне организма), так и внутренним (при попадании радионуклидов внутрь).

• Естественный радиационный фон в РФ — 0,1…0,2 мкЗв/ч
• Годовая эквивалентная доза естественного фона — 0,9 мЗв
• 1 Беккерель (Бк) — 1 распад/с
• 1 Кюри (Ки) — 3,7·10¹⁰ Бк
• 1 Грэй (Гр) — 1 Дж/кг
• 1 Рентген (Р) — 2,58·10⁻⁴ Кл/кг

Мерой радиоактивности служит активность радионуклида в источнике (А). Для практических расчетов применяют удельную (Бк/кг, Ки/кг), объемную (Бк/л, Ки/л) и поверхностную активность (Бк/м², Ки/м²). Поглощенная доза (Д) определяет количество энергии излучения, переданное массе вещества. Для учета биологического эффекта разных видов излучения поглощенную дозу умножают на взвешивающий коэффициент $W_R$, получая эквивалентную дозу ($H_{T,R} = Д \times W_R$).

Для оценки риска отдаленных последствий облучения используют эффективную дозу, которая учитывает радиочувствительность конкретных тканей и органов с помощью коэффициента $W_T$:

• 0,12 — красный костный мозг, толстый кишечник, легкие и желудок;
• 0,05 — мочевой пузырь, грудная железа, печень, пищевод;
• 0,01 — кожа и клетки костных поверхностей.

Суммирование индивидуальных эффективных эквивалентных доз группы людей дает коллективную эффективную эквивалентную дозу для оценки вероятностных (стохастических) эффектов. Для защиты от рентгеновского и гамма-излучений рассчитывают экспозиционную дозу ($Д_x$) и мощность дозы ($P$), измеряемую в Гр/с, Зв/с или Р/с.

Нормирование радиационной безопасности при использовании осадков и удобрений

При внесении иловых осадков, органических и минеральных удобрений агроном имеет дело с технологически изменённым естественным радиационным фоном. Он возникают из-за применения сырья с повышенным содержанием природных радионуклидов и сжигания ископаемого топлива. Искусственный (техногенный) радиационный фон формируют радионуклиды от испытаний ядерного оружия, аварий и выбросов предприятий ядерно-топливного цикла. Суммарная доза, которую получают люди, складывается из этих двух фонов, а также медицинских процедур.

Если поля или объекты переработки отходов расположены вблизи промышленных предприятий, важно учитывать регламент специальных зон:

• Санитарно-защитная зона (СЗЗ) — территория вокруг источника излучения, где при его штатной работе уровень облучения может превысить предел дозы (ПД). Здесь действует режим ограничений, а дозиметрическая служба предприятия ведёт постоянный контроль.
• Зона наблюдения — территория, где возможно влияние радиоактивных сбросов и выбросов, а облучение жителей может достигать ПД. Радиационный контроль в этой зоне проводят радиологические службы СЭС.

Уровни воздействия регламентируются базовым документом — «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99)». Установленные пределы доз не включают в себя дозу от естественного фона и медицинских обследований. Все облучаемые лица разделены на персонал (группа А — работающие непосредственно с источниками излучения; группа Б — находящиеся в сфере их воздействия) и всё остальное население. При этом пределы доз для персонала группы Б равны 1/4 от значений для группы А.

Для всех категорий облучаемых лиц действуют три класса нормативов:

• Основные пределы доз (ПД): граничные значения, приведенные в нормах безопасности;
• Допустимые уровни многофакторного воздействия: производные от ПД величины для одного вида облучения или радионуклида (пределы годового поступления — ПГП, допустимые среднегодовые объёмные активности — ДОА, удельные активности — ДУА);
• Контрольные уровни: показатели (дозы, активности, плотности потоков), которые устанавливаются на самом предприятии с учётом достигнутой безопасности, чтобы фактическое воздействие оставалось гарантированно ниже допустимого.