Технології переробки відходів та виробництва добрив із мулового осаду

Навіть за наявності достатніх площ під нові полігони сама їхня система є нестійкою. У результаті людство може отримати ландшафт, вкритий «пірамідами» відходів, і сотні тисяч людей, які обслуговують полігони.

Виходом із ситуації може стати вторинна переробка відходів – рециклізація. Існує безліч способів вторинної переробки різних типів відходів. Назвемо найбільш широко вживані технології: - макулатуру подрібнюють у паперову масу, з якої виготовляють різну паперову продукцію; - скло дроблять, плавлять і роблять із нього нову тару або дроблять і використовують замість гравію чи піску при виробництві бетону та асфальту; - пластмасу переплавляють і виготовляють із неї «синтетичну деревину», стійку до біодеградації, що має величезний потенціал як матеріал для різних огорож, настилів, стовпів, перил та інших споруд просто неба; - метали плавлять і переробляють у різні деталі – це дозволяє економити до 90 % електроенергії, необхідної для виплавлення металів із руди; - харчові відходи та садовий непотріб компостують з отриманням органічного добрива; - текстиль подрібнюють і використовують для надання міцності макулатурній паперовій продукції; - старі покришки переплавляють з виготовленням нових гумових виробів.

Крім цих, є сотні інших промислових методів переробки відходів.

Практично від 30 до 50 % органічної речовини, що міститься в каналізаційних стоках, входить до мулу-сирцю, який осідає у відстійниках та на інших стадіях очищення. Він являє собою густу, чорну, смердючу масу, що складається приблизно на 98 % з води і на 2 % з органіки, яка включає безліч патогенних організмів. Після відповідної обробки з нього можна отримати гумус і використовувати його як добриво.

Обробка мулу базується на живленні ним бактерій та інших детритофагів. Це може відбуватися двома способами: - за відсутності повітря – анаеробне зброджування. - за наявності повітря – компостування; I. Анаеробне зброджування.

Мул-сирець поміщають у великі герметичні баки. За відсутності кисню бактерії живляться мулом (анаеробне зброджування), як побічний продукт виробляючи біогаз. Він містить вуглекислий газ та речовини, що надають стокам неприємного запаху, але практично на 60 % складається з метану. Остання обставина дає можливість використовувати біогаз як паливо. На практиці його використовують для нагрівання самих баків з метою підтримки в них оптимальної для організмів температури близько 38°С.

Зброджування завершується через 4-6 тижнів, і в баках залишається оброблений мул – водний розчин гумусу. Цим розчином можна удобрювати сільськогосподарські поля та газони прямо у рідкому вигляді, оскільки корисні і гумус, і багата на біогени вода. Оброблений мул можна відфільтрувати і отримати напівтвердий гумусовий кек, щоправда, разом з відфільтрованою водою зникає основна частина біогенів, що знижує поживну цінність кеку. II. Компостування.

Для компостування мул-сирець відфільтровують, змішують з дерев'яною стружкою або іншим матеріалом для поліпшення аерації та складають у купи або компостні ряди. Аерацію підвищують, додатково подаючи повітря або механічно перемішуючи. У компостних купах бактерії та інші редуценти і детритофаги переробляють органіку на гумусоподібну масу. Тепла, що виділяється при диханні, виявляється достатньо для загибелі патогенних організмів.

Після шести або восьми тижнів компостування від деревної стружки відділяють гумус, готовий для застосування на полях.

В останні роки все більший розвиток отримує спільне компостування твердих побутових відходів та осаду стічних вод. Ця технологія сприяє насиченню компосту мікрофлорою та мікроелементами і дозволяє в оптимальному режимі підтримувати біотермічний процес. Він супроводжується нагріванням маси до 60-70°С. При цьому гине більшість хвороботворних мікроорганізмів, яйця гельмінтів, личинки мух.

Спалювання твердих відходів доцільне у разі використання теплової енергії та очищення відхідних газів. Цей процес відбувається на сміттєспалювальних станціях, що мають парові котли зі спеціальними топками. Температура в топці повинна бути не менше 1000°С для того, щоб згоряли всі домішки газів, що неприємно пахнуть, і не відбувалося б зашлаковування колосників. Перед виходом у димову трубу гази очищуються, наприклад, за допомогою електричних фільтрів. Металевий брухт відділяється від шлаку електромагнітним сепаратором. Інші негорючі залишки потребують захоронення, але вони становлять лише 10-20 % від початкового обсягу сміття.

Використання всіх розглянутих у цьому розділі способів зменшення забруднення навколишнього середовища не дозволяє вирішити проблему повною мірою і пов'язане зі зростанням витрат на їх реалізацію. Альтернативою є впровадження безвідходних та маловідходних виробництв.

Під безвідходними виробництвами можна розуміти сукупність технологічних процесів, у яких відходи одних використовуються як сировина для інших, що забезпечує практично їх повну утилізацію. Наприклад, зола, що утворюється при спалюванні органічного палива, може бути використана при виробництві силікатної цегли, як наповнювач бетонів тощо.

Створення безвідходних виробництв є вельми складним і тривалим процесом, проміжним етапом якого є маловідходне виробництво. При маловідходному виробництві вплив на навколишнє середовище не перевищує рівня, встановленого санітарно-гігієнічними нормами. При цьому з різних причин (технічних, економічних, організаційних та ін.) частина сировини та матеріалів може переходити у відходи і спрямовуватися на зберігання або захоронення.

Маловідходна і безвідходна технології повинні забезпечити: - комплексну переробку сировини з використанням усіх її компонентів; - створення та випуск нових видів продукції з урахуванням вимог повторного її використання; - переробку відходів виробництва і споживання з отриманням товарної продукції або будь-яке корисне їх використання без порушення екологічної рівноваги; - використання замкнутих систем промислового водопостачання; - створення безвідходних комплексів.

Етапи розвитку маловідходних і безвідходних виробництв: 1) мала ресурсомісткість і незначні викиди в навколишнє середовище; 2) створення циклічності виробництв – відходи одних є сировиною для інших; 3) організація розумного захоронення неминучих залишків і

Усі етапи можуть бути одночасними. У результаті скорочуються економічні витрати виробництва, досягається комплексність використання сировини, і ефективніше вирішуються проблеми зменшення забруднення навколишнього середовища відходами.

Виробнича та інша діяльність людини призводить не тільки до хімічного забруднення біосфери, розглянутого в попередніх розділах. Дедалі більшу роль у загальному потоці негативних антропогенних впливів на біосферу набуває її фізичне забруднення. Останнє пов'язане зі зміною фізичних параметрів зовнішнього (навколишнього) середовища, тобто з їх відхиленням від параметрів природного фону.

У наш час найбільшу увагу привертають зміни електромагнітних і віброакустичних параметрів (умов) навколишнього середовища. Як правило, у літературі вони розглядаються як хвильові або енергетичні забруднення.

Спектр частот відомих сьогодні електромагнітних коливань надзвичайно широкий: від близьких до нуля до 3·1022 Гц (рентгенівське випромінювання). У зв'язку з цією обставиною і різницею способів отримання та реєстрації, а також у зв'язку з різноманіттям проявів електромагнітних коливань весь спектр розбитий на кілька діапазонів.

1.Радіохвилі, збуджуються при русі електричних зарядів у системах, утворених тілами макроскопічних (надмолекулярних) розмірів, частоти 0 6·1012 Гц 5·10-5 м, згідно з міжнародним регламентом радіозв'язку довжини (частоти) радіохвиль діляться на 12 діапазонів, починаючи з украй низьких частот 3···30 Гц, кінчаючи гіпервисокими частотами 0,3···3 ТГц.

2.Оптичні хвилі (випромінювання), збуджуються при русі електричних зарядів у системах атомно-молекулярних розмірів. Спектр частот, f = 3⋅1011···3⋅1016 Гц (межі умовні), λ = 10-3···10-8 м. Весь спектр оптичного випромінювання розділений на три діапазони: - інфрачервоне, f = 3⋅1011···3,9·1014 Гц, λ = 10-3... 0,77·10-6 м, або теплове випромінювання; - видиме, f = 3,9⋅1014···∼7,9⋅1014 Гц, λ = 0,77⋅10-6···0,38⋅10-6 м, або світлове випромінювання; - ультрафіолетове випромінювання, f = 7,9⋅1014···3⋅1016 Гц, λ = 0,38⋅10-6···10-8 м.

3.Рентгенівське випромінювання, виникає при взаємодії заряджених частинок і фотонів з атомами речовини, f = 3⋅1015···3⋅1022 Гц, λ = 10-8···10-14 м.

4.Гамма-випромінювання, генерується збудженими ядрами атомів при радіоактивних перетвореннях і ядерних реакціях, при розпаді частинок тощо 3⋅1018 Гц 10-10 м.

Загальновизнано, що в наш час найбільший внесок в енергетичне забруднення навколишнього середовища вносять зміни її електромагнітних параметрів у діапазонах частот, що відповідають областям радіохвиль (власне електромагнітне забруднення), інфрачервоного, або теплового випромінювання (теплове забруднення), рентгенівського та гамма-випромінювання, які разом з α- і β-частинками (випускаються радіонуклідами – нестабільними ядрами радіоактивних елементів: уран, торій, полоній, радій та ін.) є причиною радіоактивного забруднення біосфери, а також зміна віброакустичних параметрів (віброакустичне забруднення).

Однією з основоположних компонент комплексу заходів із захисту навколишнього середовища від енергетичних забруднень є їх нормування, тобто встановлення того рівня енергетичного забруднення, перевищення якого є неприпустимим при організації в даному місці нового виробництва (завод, ТЕС тощо) або реконструкції колишнього. Якщо при хімічному забрудненні цим граничним рівнем є гранично допустима концентрація, ГДК (див. розд. 7.5.), то при енергетичному забрудненні введено гранично допустимий рівень, ГДР, енергетичного забруднення. Його зміст відповідає змісту ГДК. Як і у випадку ГДК, ГДР встановлюється окремо для робочої зони і для навколишнього середовища (населеної місцевості). Останній завжди менший, ніж ГДР для робочої зони. У великій кількості випадків ця різниця становить 10 разів, що можна пояснити двома обставинами. По-перше, у робочій зоні, тобто на виробництві, зайняті, висловлюючись еколого-біологічною мовою, сформовані (фізично і біологічно) людські особини. Їхня стійкість до впливу шкідливих факторів (діапазон толерантності) вища, ніж у іншої частини населення: дітей, літніх і старих людей, а також просто фізично слабких людей. По-друге, значною мірою ця різниця зумовлена тим, що в більшості випадків шкідливий фактор формується саме в робочій зоні, де він має максимальні значення; у міру поширення в навколишньому просторі він зменшує свою інтенсивність, так що поза виробничою територією його інтенсивність апріорі менша, ніж у робочій зоні. Виходить, що певною мірою це подвійне нормування лише фіксує об'єктивний розподіл інтенсивності шкідливого фактора в просторі (йдеться і про хімічне, і про енергетичне забруднення).

Звісно, у глибинній основі сьогоднішнього нормування шкідливих екологічних чинників лежать і економічні міркування. Читач одразу погодиться з тим, що найкраще – зробити так, щоб і концентрація шкідливих речовин, і інтенсивність енергетичних чинників були мізерно малими. На жаль, у тому й полягає зворотний бік медалі технічного прогресу і в тому й полягають витоки Глобальної екологічної кризи, що не завжди вдається оформити технологію виробництва так, щоб повністю виключити її шкідливий вплив.

Ринок у принципі антиекологічний. Ринковому виробнику треба або вкладати великі кошти в доведення технології до усунення шкідливих впливів, і тоді його “поїзд може піти”, або він проривається на ринок зі своїм товаром (послугою), несучи за ним шлейф екологічних витрат. Але цей шлейф екологічних витрат (явно шкідливих, їх за всіма людськими мірками треба усувати!) узгоджується (!) з наглядово-контрольними екологічними органами на основі компромісної концепції ГДК і ГДР, і ось уже товар пішов гуляти світом, роблячи свій внесок у той планетарний феномен, який ми сьогодні називаємо Глобальною екологічною кризою.

У принципі, тим не менш, компромісна концепція ГДК (гранично допустимих концентрацій) і ГДР (гранично допустимих рівнів) сьогодні – реальний і дієвий інструментарій захисту навколишнього середовища. І він знайде своє місце в процесі реалізації концепції сталого розвитку. Але свої конструктивні застосування він знайде лише в розвитку.

Спрямованість його розвитку: рівні ГДК і ГДР повинні знижуватися. Життя, тобто практика реалізації концепції сталого розвитку, підкаже, яким має бути темп посилення екологічних нормативів. Зрозуміло, він має бути оптимальним: ні надмірно швидким, ні занадто повільним. Він буде таким, яким його визначить Колективний Розум світової спільноти – з постійним урахуванням темпу розвитку Глобальної екологічної кризи.

Але, мабуть, справа полягатиме не тільки в постійному посиленні екологічних нормативів у їхньому сьогоднішньому вигляді. Скоріш за все, змінюватиметься і філософія (критерії) самих екологічних нормативів, зокрема, нормативів для енергетичних забруднень.

Відповідно до сучасних уявлень про взаємодію енергетичного чинника з організмом можна окреслити таку логіку визначення (пошуку) ГДР. Наприклад, стосовно акустичного (шумового) чинника.

Пройшовши тривалий еволюційний процес, людина адаптувалася до реального спектра акустичних впливів. У ході еволюції виявилося недоцільним для слухового апарату людини реєструвати звукові сигнали зі щільністю потоку енергії акустичних коливань повітряного середовища, меншою за 10-12 Вт/м2 (зона превентивного гальмування): мабуть, усі явища навколишнього світу, що супроводжуються емісією звукових сигналів зі щільністю потоку енергії, меншою, ніж 10-12 Вт/м2 (порогова чутливість), не відігравали значущої ролі в життєдіяльності наших доісторичних предків і тому інстинктивно “обрізалися”.

Більш енергоємні сигнали несли більш значущу інформацію, у результаті наш слуховий апарат сприймає звукові сигнали в надзвичайно широкому діапазоні щільностей потоку енергії, який утворює інформаційну зону. Усі звуки в цій зоні допомагали доісторичній людині (і допомагають нам) орієнтуватися в навколишньому світі.

Права (верхня) межа цього діапазону щільностей потоку звукової енергії, і вищі її значення, мабуть, відповідали тим реальним звуковим сигналам, які також реально не несли значущу інформацію (інакше слуховий апарат пристосувався б до них). Це – зона заграничного гальмування, оскільки дані сигнали специфічно сприйматися не можуть, бо порушують нормальну саморегуляцію організму, і останній змушений захищатися від їхньої дії охоронним гальмуванням.

Як верхню межу інформаційної зони природно прийняти величину, співставну з енергією основного обміну організму, перераховану на еквівалент щільності потоку енергії. Енергія основного обміну, практично однакова для всіх теплокровних тварин, становить:

Якщо виразити цю величину в децибелах стосовно порогу чутливості

L = 10Lg −12 ≅ 107дБ, (9.1) то отримаємо усереднений рівень звукового тиску на верхній межі інформаційної зони. Вона відповідає енергії основного обміну в стані організму між спокоєм та інтенсивною м'язовою роботою. У другому випадку енергія основного обміну може зрости в 5-8 разів, тобто приблизно на порядок величини. Для цього випадку L = 117 дБ ≅ 120 дБ. Відповідно, для стану спокою L ≅ 100 дБ. Одночасно це нижня межа зони заграничного гальмування, або зони енергетичного впливу.

Таким чином, величина енергії основного обміну, точніше спектр величин цієї енергії, що відповідає спектру станів організму між спокоєм та інтенсивною м'язовою роботою (у децибелах цей спектр виражається як 100···120 дБ), може розглядатися як вихідна величина при встановленні теоретичних ГДР енергетичних забруднень (впливів). Причому це може бути віднесено до кожного енергетичного впливу: у ході еволюції організми адаптувалися до всіх енергетичних впливів, за кожним із них організми мають інформаційну зону і, відповідно, верхню межу цієї зони, порівнянну з енергією основного обміну. Природно тому як деяке наближення ГДР того чи іншого енергетичного впливу розглядати його параметри, що відповідають енергетиці основного обміну.

Екологічне нормування енергетичних впливів на біосферу

При використанні мулових осадів як органічних добрив необхідно враховувати рівень не тільки хімічних, а й фізичних (енергетичних) забруднень. В основі еколого-гігієнічного нормування лежить концепція енергетичного порогу. Якщо фізичний вплив перевищує допустимий рівень, у біологічних системах виникають незворотні зміни, що знижують їхню життєздатність. На клітинному та субклітинному рівнях реагують процеси обміну речовин, росту та розвитку, а на організмовому рівні проявляються зміни в поведінці та загальній продуктивності.

Встановлення гранично допустимих рівнів (ГДР) енергетичних впливів — складне завдання, оскільки живі організми фізіологічно неоднорідно реагують на зовнішні поля. На цей час однозначних універсальних значень ГДР для всіх видів фізичних впливів не існує. Однак сформована наукова методологія дозволяє розвивати екологічне нормування в суворій відповідності до запитів сільськогосподарської практики.

Базові поняття дозиметрії та межі радіаційного навантаження

Контроль безпеки мулового осаду включає оцінку радіоактивності — мимовільного розпаду атомних ядер з перетворенням хімічних елементів або їхніх ізотопів. Кожен акт розпаду супроводжується випусканням альфа- або бета-частинок, нейтронів або гамма-квантів, здатних іонізувати середовище. Речовини, що містять радіонукліди (атоми з різним числом нуклонів, протонів або нейтронів), є джерелами іонізуючого випромінювання (ІВ). Випромінювання може бути як зовнішнім (від джерел поза організмом), так і внутрішнім (при потраплянні радіонуклідів усередину).

• Природний радіаційний фон у РФ — 0,1…0,2 мкЗв/год
• Річна еквівалентна доза природного фону — 0,9 мЗв
• 1 Бекерель (Бк) — 1 розпад/с
• 1 Кюрі (Кі) — 3,7·10¹⁰ Бк
• 1 Грей (Гр) — 1 Дж/кг
• 1 Рентген (Р) — 2,58·10⁻⁴ Кл/кг

Мірою радіоактивності слугує активність радіонукліда в джерелі (А). Для практичних розрахунків застосовують питому (Бк/кг, Кі/кг), об'ємну (Бк/л, Кі/л) і поверхневу активність (Бк/м², Кі/м²). Поглинена доза (Д) визначає кількість енергії випромінювання, передану масі речовини. Для врахування біологічного ефекту різних видів випромінювання поглинену дозу множать на зважувальний коефіцієнт $W_R$, отримуючи еквівалентну дозу ($H_{T,R} = Д \times W_R$).

Для оцінки ризику віддалених наслідків опромінення використовують ефективну дозу, яка враховує радіочутливість конкретних тканин та органів за допомогою коефіцієнта $W_T$:

• 0,12 — червоний кістковий мозок, товста кишка, легені та шлунок;
• 0,05 — сечовий міхур, грудна залоза, печінка, стравохід;
• 0,01 — шкіра та клітини кісткових поверхонь.

Підсумовування індивідуальних ефективних еквівалентних доз групи людей дає колективну ефективну еквівалентну дозу для оцінки ймовірнісних (стохастичних) ефектів. Для захисту від рентгенівського та гамма-випромінювань розраховують експозиційну дозу ($Д_x$) та потужність дози ($P$), що вимірюється в Гр/с, Зв/с або Р/с.

Нормування радіаційної безпеки при використанні осадів та добрив

При внесенні мулових осадів, органічних та мінеральних добрив агроном має справу з технологічно зміненим природним радіаційним фоном. Він виникає через застосування сировини з підвищеним вмістом природних радіонуклідів та спалювання викопного палива. Штучний (техногенний) радіаційний фон формують радіонукліди від випробувань ядерної зброї, аварій та викидів підприємств ядерно-паливного циклу. Сумарна доза, яку отримують люди, складається з цих двох фонів, а також медичних процедур.

Якщо поля або об'єкти переробки відходів розташовані поблизу промислових підприємств, важливо враховувати регламент спеціальних зон:

• Санітарно-захисна зона (СЗЗ) — територія навколо джерела випромінювання, де при його штатній роботі рівень опромінення може перевищити межу дози (МД). Тут діє режим обмежень, а дозиметрична служба підприємства веде постійний контроль.
• Зона спостереження — територія, де можливий вплив радіоактивних скидів та викидів, а опромінення жителів може досягати МД. Радіаційний контроль у цій зоні проводять радіологічні служби СЕС.

Рівні впливу регламентуються базовим документом — «Норми радіаційної безпеки (НРБ-99)». Встановлені межі доз не включають у себе дозу від природного фону та медичних обстежень. Усі опромінювані особи поділені на персонал (група А — ті, хто працює безпосередньо з джерелами випромінювання; група Б — ті, хто перебуває у сфері їх впливу) та все інше населення. При цьому межі доз для персоналу групи Б дорівнюють 1/4 від значень для групи А.

Для всіх категорій опромінюваних осіб діють три класи нормативів:

• Основні межі доз (МД): граничні значення, наведені в нормах безпеки;
• Допустимі рівні багатофакторного впливу: похідні від МД величини для одного виду опромінення або радіонукліда (межі річного надходження — МРН, допустимі середньорічні об'ємні активності — ДОА, питомі активності — ДУА);
• Контрольні рівні: показники (дози, активності, густини потоків), які встановлюються на самому підприємстві з урахуванням досягнутої безпеки, щоб фактичний вплив залишався гарантовано нижче допустимого.