Лекция 16. Уменьшение загрязнения окру-жающей среды твердыми отходами. Прин-ципы защиты окружающей среды от энер-гетических воздействий

Всё то, что человек добывает, производит, выращивает, потребляет, в конце концов, превращается в отходы. Часть из них удаляется вместе со сточными водами, другая часть в виде газов, паров и пыли попадает в атмосферу, но большая часть выбрасывается в виде твёрдых отходов. Каждый житель планеты «производит» ежедневно до 1,5 кг мусора.

Гора твёрдых бытовых отходов (ТБО) растёт с каждым днём – за год у нас в стране их собирается более 30 млн. тонн. Объём бытового мусора в США составляет 180 – 200 млн. т в год, для уборки мусора ежедневно требуются многие десятки тысяч мусоровозов. Объём бытовых отходов в расчёте на одного человека увеличивается примерно на 1…4 %, а по массе – на 0,2…0,4 % в год. В состав ТБО (мусора) входят зола, шлак, бумага, пластмасса, пищевые отходы, металл, стекло и пр. Ещё более разнообразны составляющие промышленных отходов: древесина, бумага, текстиль, кожа, резина, гипс, соли, шлаки, зола, формовочная земля, металл, отходы животного происхождения, строительный мусор. В России ежегодно производится 180…200 млн. тонн промышленных отходов (без учета отвальных и шахтных пород с массой 4200 млн. тонн), в США, для сравнения – более 600 млн. тонн. Все твердые отходы утилизируются всего на 10…20 %.

Как утверждают специалисты, к концу двадцатого века в России накопилось до 100 миллиардов тонн только твёрдых отходов и ежегодно к ним добавляется ещё по 4 миллиарда тонн.

16.1 Классификация твёрдых отходов и их транспортировка

Итак, из краткого вступления к лекции 16, следует, что отходы, прежде всего, делятся на бытовые и промышленные. Необходимо отметить, что в настоящее время отсутствует общая научная классификация твёрдых промышленных отходов, охватывающая всё их разнообразие по тем или иным признакам. Существующие классификации твёрдых отходов весьма многообразны и в большинстве своём односторонни. Так, твёрдые отходы классифицируют по отраслям промышленности, по конкретным производствам, по тоннажности, степени использования, способности к возгоранию, коррозионному воздействию на оборудование и т.п. С точки зрения воздействия на окружающую среду, на наш взгляд, наибольший интерес представляет классификация отходов по токсичности, приведённая в «Методических рекомендациях по определению класса токсичности промышленных отходов».

Поскольку твёрдые отходы размещают на почве (свалки, полигоны и т.п.) или производят захоронение в почву, важное значение имеют нормативы предельно допустимых количеств (концентраций) токсичных веществ в почве (ПДК_п). ПДК_п – предельно допустимые количества химического вещества в пахотном слое почвы, мг/кг. Это количество не должно вызывать прямого или отрицательного косвенного влияния на соприкасающуюся с почвой среду и здоровье человека, а также на способность почвы к самоочищению. Выделяют четыре класса токсичности отходов: I – чрезвычайно опасные, II – высокоопасные, III – умеренно опасные и IV – малоопасные.

Основой для отнесения отходов к определённому классу токсичности является индекс токсичности К_i, определяемый по выражению:

где ПДК_i – предельно допустимая концентрация химического вещества, содержащегося в почве, мг/кг; S – безразмерный коэффициент, характеризующий растворимость веществ в воде; C_В – содержание данного компонента в общей массе отходов, т/т (в долях единицы ≤ 1,0); i – порядковый номер данного компонента.

Рассчитав К_i для отдельных компонентов отхода, выбирают от 1 до n ведущих компонентов, имеющих минимальное значение К_i. Суммарный индекс токсичности (опасности) К_Σ определяют по формуле:

где n ≤ 3. После чего устанавливают класс токсичности с помощью таблицы 16.1.

Таблица 16.1

Зависимость степени опасности промышленных отходов от суммарного индекса токсичности

Класс токсичности (опасности) Степень опасности

К_Σ < 2 2,0 ... 16 16,1 ... 30 > 30

I Чрезвычайно опасные

II Высоко опасные

III Умеренно опасные

IV Малоопасные

Вывоз промышленных отходов производится самими предприятиями в специальные места захоронения или на общие свалки, куда вывозятся твёрдые бытовые отходы из городов.

Основные способы сбора бытовых отходов:

– по мусоропроводам отходы собираются в мусороприёмные камеры и далее перегружаются в мусоровозы;

– отходы собираются в специальные контейнеры, затем перегружаются в мусоровозы;

– отходы собираются непосредственно в мусоровозы, которые приезжают в установленное время. Перечисленные методы несовершенны и негигиенич-ны, так как мусороприёмные камеры и контейнеры являются источником неприятных запахов и рассадником насекомых и грызунов;

– применение пневматического транспорта для удаления мусора из мусоропроводов по горизонтальным подземным каналам до станции, обслуживающей несколько зданий или целый микрорайон. На этих станциях после прессования мусор перегружается в мусоровозы;

– сплав в канализацию дробленых отходов из квартир, гостиниц, ресторанов и других объектов. С этой целью у раковин устанавливаются механические дробилки, из которых измельчённый мусор вместе со сточной водой удаляется в канализацию, где он обезвреживается в очистных сооружениях;

– системы удаления отходов, в которых его пневматическая транспортировка сочетается с дроблением и сплавом в канализацию.

Примеры промышленных и бытовых отходов, относящихся к различным классам опасности, приведены в таблице 16.2.

16.2 Полигоны для твёрдых отходов

В подавляющем большинстве случаев твёрдые отходы удаляются вывозным путём в основном на неконтролируемые свалки – специально отведённые в пригородах отгороженные участки. Отходы на них разлагаются, часто загораются, в результате загрязняется воздушная среда, часто токсичными веществами. Кроме того, вредные вещества могут вымываться дождевыми, талыми, поверхностными и грунтовыми водами и загрязнять водоёмы и подземные воды.

Таблица 16.2

Классы опасности некоторых отходов

Вид отходов

Класс опасности

1 Лампы люминесцентные и накаливания 2 Щелочь 3 Аккумуляторы отработанные 4 Трупы животных, птиц 5 Масла отработанные 6 Клеи, мастики, смолы 7 Ветошь промасленная 8 Пищевые, кормовые, мякина, зерновая пыль 9 Древесные 10 Бумага, картон 11 Лом черных и цветных металлов 12 Автошины, резина 13 Твердые бытовые 14 Строительные

В качестве альтернативы используются полигоны для твёрдых отходов. Для такого полигона выбирают место, по возможности, в глинистом грунте, в котором можно складировать отходы в течение 20…25 и более лет. Основание выбранной площади делают в виде огромного корыта глубиной примерно 1,5 м. При невозможности выбрать место в глинистом грунте водоупорное основание создаётся искусственно, причём на уплотнённый слой глины толщиной 0,5 м иногда наносится слой щебня, что облегчает отвод фильтрата и метана. Фильтрат, остающийся в пределах полигона, не загрязняет водоёмы и подземные воды. В случае большого количества осадков фильтрат откачивают со дна корыта насосами и разбрызгивают по поверхности укладываемых отходов. Одна часть фильтрата испаряется, другая проникает внутрь, где вызывает медленный биотермический процесс с повышением температуры до 30°С. До дна, таким образом, доходит не более 5 % жидкости.

В течение суток вывозят отходы на одну площадку полигона и уплотняют бульдозерами послойно до 2-х метровой высоты. На следующие сутки отходы вывозят на другую площадку, а предыдущую укрывают изолирующим слоем грунта толщиной 0,25 м. Изоляция грунтом и его последующее уплотнение препятствует загрязнению воздушной среды и распространению грызунов и насекомых.

Для сокращения площади полигон загружают многослойно (рисунок 16.1). Конструктивные схемы допускают высоту 60 м. После заполнения полигона поверхность его покрывают растительным грунтом. Полигон окружается скважинами, с помощью которых ведётся мониторинг загрязнения грунтовых вод.

Рис. 16.1. Схематичный разрез полигона для твердых отходов

1 – лесозащитные полосы (зеленая зона); 2 – промежуточный изолирующий слой; 3 – отходы; 4 – укрывающий наружный слой растительного грунта;

5 – естественное или искусственное водоупорное основание (глина)

Полигоны могут иметь различные соотношения длины и ширины. Площадь их зависит от численности жителей города и высоты складирования.

Для размещения полигонов твёрдых отходов можно использовать овраги и другие неудобные земли. После полной загрузки полигона и закрытия его растительным грунтом поверхность последнего можно использовать для устройства парков, садов, игровых площадок и т.п.

В закрытых от соприкосновения с воздухом бытовых и пищевых промышленных отходах, находящихся в насыпях полигона, возникает анаэробный процесс, при котором выделяется биогаз (смесь метана и углекислого газа), который можно использовать как топливо.

Рассмотренные полигоны твёрдых отходов предназначены в основном для бытовых отходов. Однако исследованиями установлено, что часть промышленных отходов может быть принята на полигоны твёрдых бытовых отходов – это инертные, биологически окисляемые, легко разлагающиеся органические вещества, слаботоксичные, малорастворимые в воде (всего более 10 тысяч видов). Промышленные отходы используются, как правило, для устройства слоёв промежуточной изоляции.

В части собственно промышленных отходов важнейшим является вопрос о защите окружающей среды от действия токсичных отходов.

Главным направлением в устранении вредного воздействия на окружающую среду токсичных промышленных отходов является их использование в производственных циклах, т.е. организация малоотходных производств. В ряде случаев для нейтрализации токсичных промышленных отходов устраиваются специальные сооружения.

Эти сооружения могут быть в ведении предприятия, создающего токсичные отходы. Часто эти сооружения располагаются на территории предприятия.

Токсичные промышленные отходы могут складироваться, перерабатываться и нейтрализоваться централизованно на полигонах и станциях переработки и нейтрализации. Существуют два вида специальных полигонов: для обезвреживания одного вида отходов захоронением или химическим способом, либо комплексные – для обезвреживания различных видов отходов. Территорию комплексных полигонов разделяют на зоны: приёма и захоронения твёрдых несгораемых отходов; приёма и захоронения жидких химических отходов и осадков сточных вод, не подлежащих утилизации; захоронения особо вредных отходов; огневого уничтожения горючих отходов. На территориях полигонов и за их пределами ведётся контроль состояния поверхностных и грунтовых вод, а также чистоты воздушной среды.

Захоронения промышленных отходов производят в котлованах глубиной до 10…12 м в специальной таре, например, в железобетонных резервуарах. Котлованы располагают в водонепроницаемых грунтах.

Радиоактивные отходы собираются в местах их образования отдельно от других отходов в специальные сборники, внутренние поверхности которых изготовляются из гладкого мало сорбирующего материала. Транспортировка к местам захоронения производится на специально оборудованных автомашинах. Автомашины и сменные сборники после каждого рейса должны дезактивироваться.

Проблема обезвреживания и захоронения радиоактивных отходов – одна из наиболее жгучих проблем атомной энергетики.

Рассмотрим вопрос, связанный с захоронением радиоактивных отходов. Отходы образуются на всех стадиях ЯТЦ: добычи, переработки сырья, изготовлении тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Кроме того, радиоактивные изотопы применяются в медицине, биологии, промышленности. В силу высокой концентрации энергии в ядерном топливе, количество образуемых отходов, по сравнению с другими отраслями, сравнительно невелико, но, тем не менее, проблем здесь довольно много.

Сама технология выделения отходов, их концентрирование, прессование, заключение в цементные, битумные или стеклянные блоки – это целая отрасль атомной промышленности. Ещё более сложной и дорогостоящей является технология сжигания. Отходящие дымовые газы очищаются методами адсорбции и фильтрации, а зола, загрязнённая радионуклидами, подвергается цементированию, битумированию или остекловыванию.

Главный вклад вносят, конечно, атомные электростанции. Особое место занимают отработавшие рабочие каналы – ТВЭЛы, которые содержат высокоактивные осколки деления, а также недовыгоревший уран и накопившийся плутоний. Они представляют собой наиболее активный тип отходов, а потому требуют к себе особого отношения. Сегодня тепловыделяющие элементы подвергают захоронению, чаще всего прямо на территории АЭС. Хранят их в водной среде на достаточно большом удалении друг от друга. Таким образом, достигаются две цели: отводится тепло, выделяющееся при продолжающемся радиоактивном распаде, и исключается возникновение критического ансамбля, способного привести к взрыву.

Ещё одна технология захоронения. Рабочий канал освобождают от конструктивных элементов, не имеющих столь высокой активности, как ядерное горючее: от кожухов, крышек, колпаков и пр. Остаются только ТВЭЛы. Чтобы они занимали меньше места, их, например, скручивают в жгуты, помещают в медный контейнер, заливают свинцом, закрывают крышкой и заваривают. Медь слабо подвергается коррозии, поэтому контейнер может простоять без изменений сотни и даже тысячи лет. Правда, в металле могут со временем образоваться свищи и герметичность может нарушиться. Хранят эти контейнеры на дне океана, в глубинных геологических формациях, в соляных шахтах. Соль обладает пластической текучестью. Под действием теплоты, выделяемой радиоактивными отходами, соль оплавляет контейнер, что является дополнительной защитой. Выбором места захоронения проблема не ограничивается, поскольку захоронение – инженерное сооружение, требующее наличия систем контроля, вентиляции, оснащения инженерно-техническими коммуникациями и т.д.

В целом, вопрос, где хранить отходы, которые в течение многих тысячелетий будут радиоактивными, пока далёк от решения.