Изменение качества окружающей среды при термическом обезвреживании твердых бытовых отходов (сжигании)

Сжигание ТБО является вынужденной мерой при постоянно растущей массе отходов. Особенно это касается плотно населенных стран, таких как Швейцария, Нидерланды, Япония, из-за дефицита площадей для полигонов захоронения отходов, а также в связи с ужесточением с 2000-2002 гг. требований по приему органических компонентов отходов на полигоны - не более 3-5%.

На начало 90-х годов наибольшее количество мусоросжигательных заводов (МСЗ) насчитывалось в Японии - 1900, Франции - 170, США - 168 и Италии - 92 (Плетнев, 1998). В СССР термическая переработка ТБО началась с 1972 года: в девяти городах было построено 13 МСЗ первого поколения (три из них - в Москве). Все эти заводы практически не имели газоочистки и почти не использовали вырабатываемое тепло. Все они морально устарели и не отвечают современным требованиям по экологическим показателям.

Поэтому большинство этих заводов закрыто, а оставшиеся подлежат реконструкции (Федоров и др., 2002). По данным (Концепция обращения 2003) в России эксплуатируется 4 завода (два - в Москве, по одному - в Пятигорске и Мурманске); по данным В. Г. Систер и др. (2001), МСЗ имеются также во Владивостоке и Сочи; имеются сведения о наличии завода в г. Череповце Вологодской области (Попова, 2002). В странах Европейского Союза к началу XXI века подвергалось сжиганию около 23% образующихся ТБО (Венцилис и др., 2007).

Термический метод переработки ТБО подразделяют на три способа (Бельямовский, 1993): слоевое сжигание исходных (неподготовленных) отходов в мусоросжигательных котлоагрегатах; слоевое или камерное сжигание освобожденных от балластных фракций отходов в энергетических котлах совместно с природным топливом или в цементных печах; пиролиз. При слоевом сжигании выделяется большое количество загрязняющих веществ, поэтому МСЗ требуют высокоэффективных систем газоочистки.

К преимуществам метода термического обезвреживания отходов относят:

• значительное (до 90%) сокращение объемов отходов;
• высокую производительность систем термического обезвреживания отходов;
• возможность выработки тепловой и электрической энергии.

Специалистами США и Германии подсчитано, что вовлечение всех твердых бытовых отходов в энергетическое использование покрыло бы энергетическую потребность этих стран на 2-3% (Игнатович, Рыбальский, 1998 (2)). По данным, представленным в работе Л. Г. Федорова и др. (2002), при сжигании 1 т ТБО можно получить 1300-1700 кВт-чтепловой энергии или 300-550 кВтч электроэнергии.

По некоторым данным средняя теплотворность 1 т городских ТБО составляет свыше 25 млн. ккал, что эквивалентно сжиганию 250 л сырой нефти.

Однако, как отмечают многие авторы, несмотря на кажущуюся целесообразность сжигания отходов, в развитых странах идет закрытие старых МСЗ, и вводятся запреты на строительство новых. В США было закрыто несколько десятков таких предприятий. Во многих штатах США и Канады строительство новых МСЗ запрещено законодательно. Волна закрытий МСЗ охватила всю Западную Европу. В Великобритании (официально - по причине высокой себестоимости их работы) закрыты более половины МСЗ, а создание новых оказалось под запретом по причине их экологической опасности. В Швеции, Ирландии, Бельгии, Греции, Люксембурге, Норвегии, Финляндии, Испании, Австрии на технологические параметры мусоросжигательных установок введены серьезные ограничения.

Начало этапа планового закрытия МСЗ относится к 1990 году, когда в Германии вышло законодательное ограничение на содержание выбрасываемых в атмосферу двуокиси азота и фуранов. После введения норм Европейского Союза (НЕС) на выбросы МСЗ, в Нидерландах из имевшихся в стране 12 МСЗ было закрыто 4.

Сжигание сопровождается процессом распределения химических веществ между продуктами сжигания отходов. Этот процесс зависит от способности химических элементов и их соединений переходить в газовую фазу при горении отходов. Следствием является образование различных продуктов, которые по своим физическим свойствам и химическому составу существенно отличаются друг от друга и от исходных ТБО. Система образования продуктов сжигания ТБО представлена на рисунке 1.2.

Основную экологическую опасность при сжигании ТБО представляют отходящие газы (Левинский и др., 1997; Современные методы 1995). В зависимости от схемы переработки при сжигании 1 т ТБО выделяется от 3,5 до 5 м³ газообразных продуктов в виде двуокиси углерода, паров воды и различных примесей. Содержание загрязняющих веществ в них зависят от состава ТБО и эффективности сортировки. В отходящих газах присутствуют органические соединения - альдегиды, фенолы, хлорорганические соединения (в том числе диоксины, фураны), соединения тяжелых металлов, оксиды азота и углерода, фтористый и хлористый углерод. Запыленность отходящих газов составляет 25-50 кг/т ТБО.

В зависимости от мощности, на одном МСЗ сжигают от 40 тыс. т до 1 млн. т ТБО в год. Следовательно, ежегодно 1 МСЗ может выбрасывать в атмосферу от 140 тыс. до 5 млн. м газообразных продуктов.

Летучая зола отличается наиболее высоким содержанием тяжелых металлов (Сё, БЬ, гп, РЬ) и мышьяка, способных переходить в газовую фазу при горении отходов; большая часть металлов улавливается при газоочистке. В таблице 1.5 представлены концентрации тяжелых металлов в летучей золе перед газоочисткой, средние концентрации тяжелых металлов в ТБО и рассчитанные нами коэффициенты концентрирования (отношения концентраций ТМ в летучей золе и ТБО).

Концентрации Sn, Sb, As, Cd, Zn и Pb в летучей золе могут в десятки раз превышать концентрации этих элементов в ТБО (табл. 1.5).

В дымовые газы переходит 95% Hg 75-90% Cd, 75% As, 27-40% Zn, 3035% Pb от исходного их содержания в ТБО (Крельман, 1993). Капитальные затраты на систему очистки выбросов составляют до 50% стоимости завода (Костовецкий, 1999). Все способы газоочистки сложны, требуют дорогих коррозионно-стойких металлов и не обеспечивают полной очистки отходящих газов. Некоторые элементы (в частности ртуть) уловить практически невозможно (Игнатович, Рыбальский, 1998 (1)).

Ртуть из труб МСЗ поступает в атмосферу в формах паров (7%) и хлоридов (70%). И те, и другие токсичны и являются потенциальными нейротокси-нами (Юфит, 1999). Содержание ртути в ТБО составляет 2-4 мг/кг и, как уже отмечалось выше, 95% ее при сжигании переходит в дымовые газы (Крельман, 1993). Следовательно, средний МСЗ с производительностью 500 тыс. т в год ежегодно выбрасывает в атмосферу от 950 до 1900 кг ртути.

Мусоросжигательные печи могут быть источником выброса гп, Сё и БЬ, а также значительных количеств АБ и Бп (Дубинская, 1998). Содержание кадмия в ТБО составляет от 5 до 15 г/т (Матросов, 1999). До 12% Сё выбрасывается в атмосферу (Юфит, 1999). Следовательно, МСЗ с производительностью 500 тыс. т в год ежегодно будет выбрасывать в атмосферу от 300 до 900 кг кадмия.

Тяжелые металлы оседают вокруг МСЗ в соответствии с розой ветров и образуют характерное пятно загрязнения. Содержащиеся в дымовых газах ртуть, свинец, цинк и кадмий находятся в водорастворимых формах и при оседании на земную поверхность могут попадать в грунтовые воды .

Углерод, входящий в состав органических соединений, составляет около 30% массы ТБО (Матросов, 1999). Около 1% углерода, введенного в сжигатель, покидает его со шлаком, 0,1% связывается с летучей золой и около 0,01% выбрасывается в виде микрозагрязнений. Остальной углерод превращается в окислы углерода (главным образом, в углекислый газ). Концентрация общего органического углерода в среднем составляет в шлаках -10 г/кг, в летучей золе -40 г/кг, а в газах 20 мг/нм . В число микрозагрязнителей входят такие токсичные вещества, как полихлорированные дибензо-п-диоксины (ПХДД), полихло-рированные дибензофураны (ПХДФ), полихлорированные бифенилы (ПХБ) и полиароматические углеводороды (ПАУ). МСЗ являются основным источником выбросов диоксинов. ПАУ опасны при концентрациях несколько мкг на м , а диоксины - при долях нг/м (Юфит, 1999).

Согласно существующим Европейским нормам выбросы диоксинов и фуранов не должны превышать 0,1 нг/нм , а пыли - менее 10 мг/нм (Федоров и др., 2002). Измерения, проведенные в 1987-1990 гг., показали, что в отходящих газах МСЗ Канады и Норвегии содержание диоксинов составляло 0,063-0,597 и 0,047-1,8 мкг/нм соответственно. В США в 1994 году было проведено обследование 12 МСЗ: все они показали крайне высокие уровни выбросов.

ПХДД и ПХДФ образуются при горении хлорсодержащих материалов (например, изделий из поливенилхлорида). Высокотемпературный синтез этих соединений происходит также при совместном сжигании не содержащего хлора органического материала и неорганических хлоридов.

Вокруг МСЗ (даже полностью удовлетворяющих нормам ЕС) создается зона загрязнения в радиусе до 1,5 км, а при его многолетней работе она охватывает более 30 км. Так, в результате многолетней работы МСЗ в Роттердаме (Нидерланды) в радиусе до 40 км от него загрязнение коровьего молока диоксинами достигло такого уровня, что его продажа и потребление были запрещены. Высокий уровень содержания диоксинов в отходящих газах на сжигателе в Цаандштадте привел к заражению прилегающей территории, превышающему среднее загрязнение в Нидерландах в 50-100 раз (Юфит, 1999). Исследования, проведенные в Японии вблизи одного из МСЗ (японские МСЗ одни из лучших в мире), показали, что в период 1985-1990 гг. в радиусе до 1,1 км 42% умерших погибли от рака, а в радиусе от 1,1 до 2,0 км - 20%. Последнее значение было близко к среднему для этого региона, то есть на расстоянии от МСЗ более 1 км не было выявлено увеличения числа случаев раковых заболеваний (Сапожни-кова, 2003).

Как в атмосфере, так и в водной среде ПХДД и ПХДФ находятся в адсорбированном состоянии. Попадая в почву, они накапливаются в поверхностном слое и практически не подвергаются выщелачиванию. Эти соединения чрезвычайно устойчивы к гидролизу и микробиологическому разложению. В почвах они сохраняются до 10 лет. Вместе с тем установлено, что на поверхности частиц и в растворах они могут подвергаться дехлорированию при облучении светом длиной волны менее 310 нм (Исидоров, 1999).

В составе твердых продуктов сжигания ТБО выделяют следующие компоненты: лом черных металлов (14%), лом цветных металлов (0,7%) и золош-лаковый материал - (84%). В целом продукты сжигания твердых бытовых отходов имеют сходный микроэлементный состав (табл. 1.6), они обогащены по сравнению с литосферой В1 (в сотни - тысячи раз), Аg, Би, РЬ Сё, БЬ (в десятки - сотни раз), Си, 7и (в десятки раз), Сг, Щ (в несколько раз). В осевшей на электрофильтрах летучей золе, содержание перечисленных химических элементов еще выше (Геохимия 1990). При сжигании 1 тонны ТБО образуется 0,250,4 тонн шлака и золы (Абалкина, 1992).

Примечание: Коэффициенты концентрирования рассчитаны относительно содержания элементов в литосфере.

Шлаки менее опасны для окружающей среды, чем летучая зола, но в них также присутствуют ПАУ (в том числе бенз[а]пирен), диоксины, неопознанные органические токсиканты. Выше отмечалось, что в шлаках содержится общего органического углерода в среднем 10 г/кг, а состоит он из ПАУ, диоксинов и других токсичных веществ. Наблюдаются также повышенные концентрации тяжелых металлов (Юфит, 1999).

В шлак переходит почти все железо (99%) (Юфит, 1999), а также 90% никеля, меди, хрома и до 70% серы. Следует отметить, что вывоз на свалки шлаков может представлять особую опасность, так как при взаимодействии их с водой в раствор переходят не только металлы (И), Сг; Си; N1, 0(1), но и ПАУ (Юфит, 1999).

Шлаки находят ограниченное применение, в основном, в качестве пересыпного материала на свалках или несущего материала при укладке дорог (Шубов и др., 1998). Предпринимаются попытки использовать шлаки и золу МСЗ для производства бордюрных камней, барьерных рифов и блоков для строительства. В таблице 1.7 представлены данные по содержанию ТМ в блоках, изготовленных с добавлением шлака и летучей золы МСЗ. Существует мнение, что ТМ могут вымываться из блоков дождями (Юфит, 1999). Рассчитанные нами на основании данных С. С. Юфита (1999) коэффициенты концентрации показывают, что в строительных блоках, изготовленных из отходов сжигания ТБО, концентрации цинка, свинца, меди и кадмия могут быть в сотни раз больше, чем в обычных цементных блоках (табл. 1.7).

Тем не менее, некоторые авторы продолжают активно пропагандировать использование зол и шлаков МСЗ при производстве цемента и керамики.

МСЗ заводы могут также рассматриваться как источник загрязнения гидросферы. На тонну сжигаемых отходов в среднем образуется 2,5 м сточных вод. Эта вода сильно загрязнена солями и токсичными металлами и всегда либо сильнощелочная, либо сильнокислая. Источниками загрязнения сточных вод являются вода для охлаждения шлака, скрубберы для улавливания кислых газов после их охлаждения при выходе из печи и вода для смыва осадков с фильтров.

Известны случаи загрязнения диоксинами донных отложений водоемов и водотоков. Снизить образование отходов от работы фильтров и мокрых скрубберов для нейтрализации кислых газов невозможно, так как чем лучше очистка, тем больше объем загрязненной воды, илов и загрязненной массы с фильтров.

Таким образом, термическое обезвреживание ТБО приводит к следующим последствиям:

• Образование твердых отходов сжигания (шлак, летучая зола). При сжигании 1 т ТБО образуется 25-50 кг летучей золы и 0,25-0,4 т шлаков, концентрации тяжелых металлов в которых может в десятки раз превосходить концентрации в исходных ТБО и в сотни раз - концентрации в литосфере. Эти отходы требуют нейтрализации и утилизации.
• Если при сжигании объем ТБО сокращается на 90%, то масса - на 6075%. Очевидно, что сокращение массы отходов происходит за счет выбросов газообразных продуктов в атмосферу. Таким образом, при сжигании 1 т ТБО должно выбрасываться от 0,6 до 0,75 т отходящих газов.
• Около 30% массы ТБО составляет углерод, входящий в состав органических соединений. При их сжигании 98,9% углерода превращается в окислы углерода. То есть, при сжигании 1 т ТБО в атмосферу выбрасывается 0,3 т углерода (в основном в виде СО₂).
• Сжигание органосодержащих веществ приводит к синтезу особо опасных экотоксикантов - полихлорированных дибензо-п-диоксинов (ПХДД), дибензофуранов (ПХДФ), бифенилов (ПХБ) и полиароматических углеводородов (ПАУ). Эти вещества поступают в окружающую среду с выбросами МСЗ, твердыми отходами сжигания и сточными водами.
• Даже при самых современных системах газоочистки часть летучих ТМ выбрасывается в атмосферу. МСЗ могут быть источником поступления в окружающую среду Б^, 7п, Сё, БЬ, а также значительных количеств АБ и Бп.
• Вокруг МСЗ (даже полностью удовлетворяющих нормам ЕС) создается зона загрязнения диоксинами в радиусе до 1,5 км, а при многолетней работе МСЗ до 30 км.
• При сжигании безвозвратно теряются ценные компоненты ТБО.