М. С. Сазонова ;
Н. В. Самородова

Не превратить планету в свалку

На городских свалках даже небольших городов ежегодно скапливаются сотни тысяч тонн бытовых отходов. Разлагаясь, они отравляют воздух, почву, подземные воды и превращаются в серьезную опасность для окружающей среды и человека. Дымящиеся свалки, кучи выброшенного хлама, переполненные мусорные баки – в России такие картины знакомы многим. Проблему уничтожения огромной массы мусора, бесспорно, можно отнести к категории экологических, требующих сложных технических и экономических решений. Вот почему крайне актуальной стала разработка эффективных, безотходных, а главное, экологически чистых технологий промышленной переработки мусора. К их числу принадлежат современные мусоросжигательные заводы, способные обезвредить и утилизировать бытовые отходы и попутно произвести тепловую и электрическую энергию, компенсируя тем самым немалые затраты на саму переработку.

Экологическую обстановку в городах с высокой плотностью населения, независимо от того есть в них вредные производства или нет, во многом определяет состояние системы санитарной очистки от непромышленных отходов. Главным образом это твердые бытовые отходы (ТБО), т.е. весь мусор, который ежедневно скапливается в наших домах и квартирах и проделывает путь от мусоропровода до дворового контейнера и дальше до городской свалки: бумага, картон, пищевые остатки, текстиль, древесина, листва, черный и цветной металлы, кости, стекло, кожа, резина, камни, керамика, полимерные материалы. Зачастую туда же выбрасываются крупногабаритные отходы: строительный мусор, отслужившие свой век мебель и бытовая техника. Сюда же относятся отходы от деятельности коммерческих и производственных фирм, садовый и уличный мусор.

Существуют нормы накопления бытовых отходов на одного человека, на одно место в гостинице, на 1 м² торговой площади магазина и т.д. В крупных городах на нормы накопления мусора, как правило, влияют уровень развития легкой и пищевой промышленности и индустрии упаковочных материалов, климатическая зона и, конечно же, менталитет и благосостояние населения. В промышленных городах центральной части России норма отходов на душу населения оценивается сейчас в 225–250 кг/год. Для сравнения: в развитых европейских странах, таких как Бельгия, Великобритания, Германия, Дания, Италия, Нидерланды, Швеция, Швейцария, Япония, этот показатель уже в 1995–1996 гг. достиг 340–440 кг, в Австрии и Финляндии – свыше 620 кг, а в США превысил 720 кг на одного человека в год.

За последние 40–50 лет во всех развитых странах резко возросла доля полимерных материалов в бытовых отходах. В Японии и Италии она составляет сейчас 10–15%, в Москве – 6% (в 1960 г. доля полимеров в бытовых отходах столицы составляла 0,7%). Это, очевидно, связано со все большим применением полимерной упаковки, которая раньше была большой редкостью.

Многие отходы токсичны. В общей сложности из отходов в окружающую среду попадает более ста токсичных веществ. Только одна пальчиковая батарейка заражает солями тяжелых металлов и химикатами 20 м³ мусора, а с разбитыми термометрами и ртутьсодержащими приборами на свалки ежегодно попадает большое количество ртути (во Франции, например, около 5 т).

Самый распространенный до последнего времени способ борьбы с бытовыми отходами в городах – вывоз их на свалки – не решает проблему, а, прямо скажем, усугубляет ее. Свалки это не только эпидемиологическая опасность, они неизбежно становятся мощным источником биологического загрязнения. Происходит это из-за того, что анаэробное (без доступа воздуха) разложение органических отходов сопровождается образованием взрывоопасного биогаза, который может представлять угрозу для человека, вредно воздействует на растительность, отравляет воду и воздух. Более того, главный компонент биогаза – метан – признан одним из виновников возникновения парникового эффекта, разрушения озонового слоя атмосферы и прочих бед глобального характера. 

Нередко свалки горят, выбрасывая в атмосферу ядовитый дым. Под полигоны для мусора на десятки лет отчуждаются громадные территории, которые можно было бы использовать с большей пользой. И, наконец, чтобы содержать полигон на уровне современных экологических требований, нужны большие средства. Очень дорого обходится рекультивация закрытых (уже недействующих) полигонов, включающая целый комплекс мер для прекращения вредных воздействий свалок на окружающую среду, в том числе на почву и подземные воды. Так, для рекультивация всего лишь 1 га мусорного полигона сегодня потребуется около 6 млн руб. Велики и транспортные расходы на перевозку отходов, поскольку свалки, как правило, располагаются далеко от города.

В экономически развитых странах все больше бытовых отходов перерабатывается промышленными способами. Самый эффективный из них – термический. Он позволяет почти в 10 раз снизить объем отходов, вывозимых на свалки, причем несгоревший остаток уже не содержит органических веществ, вызывающих гниение, самопроизвольное возгорание и опасность эпидемий.

Сегодня зарубежные специалисты делают ставку на мусоросжигательные установки, которые перерабатывают выделяемое при сжигании отходов тепло в энергию. Рабочей группой Всемирного энергетического совета предложена концепция энергетического баланса: полученная энергия должна покрывать энергетические затраты на переработку мусора. В будущем мусоросжигательные энергетические установки, скорее всего, войдут в интегрированную систему управления отходами вместе с предприятиями по утилизации и вторичному использованию некоторых материалов (стекла, металла, бумаги и т.д.). Первыми в этом добиваются успехов те страны, где остро ощущается дефицит территории и введены ограничения на захоронение определенных видов отходов.

Сейчас в мировой практике применяется больше десятка технологий сжигания бытовых отходов. Помимо решения экологических проблем города сжигание ТБО в заводских условиях позволяет из 1 т отходов выработать 1,3–1,5 Гкал тепловой энергии или 300–400 кВт/ч электроэнергии, т.е. современный мусоросжигательный завод можно приравнять к тепловой электростанции. По оценке Всероссийского теплотехнического института (ВТИ), вырабатываемая тепловая энергия наиболее эффективно используется в трех случаях: при сжигании твердых отходов на колосниковых решетках, в топке с псевдоожиженным (кипящим) слоем и с использованием технологии пиролиза (сжигание при 1200–1400 °С в течение 4–7 ч).

Сжигание на колосниках в слоевой топке считается самой распространенной технологией. Она используется на большинстве зарубежных и почти на всех построенных до настоящего времени в России мусоросжигательных заводах. Сжигание отходов в топках с псевдоожиженным слоем широко распространено в Японии. В Испании, Германии, Франции и России построено по 1–2 таких завода. В США работает завод по сжиганию отходов в циркулирующем псевдоожиженном слое.

К сожалению, обе эти технологии не решают проблемы утилизации и обезвреживания твердых остатков – шлака и особенно летучей золы, которая улавливается системой газоочистки. Но если шлак можно использовать, например, для засыпки оврагов или в строительстве, то золу приходится захоранивать на специально оборудованных полигонах, поскольку она адсорбирует тяжелые металлы и другие токсичные вещества.

С внедрением комбинированной технологии пиролиза, разработанной  немецкой фирмой «Сименс», переработка ТБО стала почти полностью безотходной и практически безвредной. Она выгодно отличается от прочих тем, что, во-первых, из бытовых отходов получают материалы, пригодные для использования практически без дальнейшей обработки. Во-вторых, выходящие из установки газы по степени очистки отвечают самым строгим требованиям и зачастую содержание в них вредных веществ гораздо ниже установленных пределов. Наконец, метод позволяет использовать выделяемое при сжигании отходов тепло для производства электроэнергии и централизованного теплоснабжения или направлять его на технологические нужды.

Сжигание полимерных материалов, содержащих хлор, неизбежно сопровождается появлением в дымовых газах хлорсодержащих токсичных компонентов – диоксинов и фуранов. Так называют большую группу веществ, основу молекул которых составляют два шестичленных углеродных кольца. В органической химии известно 210 подобных соединений. Если в них нет атомов хлора, то эти вещества токсичны не больше, чем, например, бензин, однако при замещении в кольцах атомов водорода на атомы хлора образуются опасные для природы и человека диоксины и хлорпроизводные фуранов (которые также тривиально называются фуранами) – всего около 20 соединений разной степени токсичности.

Эти соединения особенно привлекают внимание специалистов после взрыва на химическом предприятии в городе Севезо в Италии. Тогда облако, содержащее в больших концентрациях диоксин, распространилось на территории 16 км² и вызвало массовое отравление людей и домашних животных.

Источники диоксинов и фуранов не только аварийные ситуации на предприятиях химической промышленности. Эти ядовитые вещества образуются в обычных условиях при сжигании древесины, отходов, дизельного топлива, при выплавке меди, производстве целлюлозы, в цементных печах и других (особенно химических) производствах. Все это контролируемые выбросы диоксинов, но существуют и более мощные неконтролируемые источники – главным образом горящие свалки, костры, в которых сжигают мусор и растительные отходы, в том числе и на садовых участках. Температура их горения относительно низкая – до 600 °С. При таком режиме образуется в десятки раз больше диоксинов и фуранов, чем при высокотемпературном процессе (свыше 1000 °С) на мусоросжигательных заводах.

При строгом соблюдении заводской технологии концентрация хлорсодержащих токсичных компонентов в дымовых газах опускается до самых низких нормативных значений, принятых в европейских странах, а сейчас и в Москве. В отличие от захоронения на свалках, при сжигании отходов на заводе можно не только контролировать их количество и воздействие на окружающую среду, но и, что очень важно, управлять этим процессом.

По сравнению с Западной Европой утилизация отходов в России имеет ряд особенностей. Главные из них – суровый климат и сбор отходов без предварительной сортировки. Из-за большой доли несгораемых веществ и высокой влажности бытовых отходов их калорийность невысока – всего 1000–1500 ккал/кг. Это почти в два раза ниже, чем в большинстве городов Европы, США и Японии. Объемы промышленной переработки и утилизации мусора в стране до сих пор ничтожно малы. Сейчас действуют всего лишь 7 заводов по термической переработке отходов, причем два из них реконструируются, а остальные работают не на полную мощность. На всех этих предприятиях вместе взятых обезвреживается меньше 1% бытовых отходов.

Для строительства новых заводов нужны большие средства, а переработка отходов на существующих экономически невыгодна из-за устаревшей технологии. Первое обстоятельство связано с тем, что нет отечественного оборудования, а закупать его за рубежом очень дорого, второе – с неэффективным использованием тепловой энергии и невысокой теплотворной способностью самих отходов, хотя их приравнивают к низкокалорийным топливам, таким как сланцы или торф.

Обследование, проведенное в Средиземном море у берегов Испании и Мальты, показало, что на 1 км2 поверхности моря приходится в среднем 2000 плавающих предметов, выброшенных в воду человеком. Французский журнал «Сьянс э ви» приводит сроки распада мусора различных типов в морской воде. Стеклянная бутылка не распадется практически никогда, пластмассовая – через 450 лет, металлическая банка из-под пива или ситро – через 200–250 лет, консервная банка – через 100 лет, доска, окрашенная масляной краской, – через 13 лет, парусиновая пляжная тапочка – за 1 год, веревка – за 3–14 месяцев, кусок хлопчатобумажной ткани – за 1–5 месяцев, железнодорожный билет – за полмесяца–месяц.

Наиболее остро проблема избавления от мусора стоит в Москве, где на площади 1100 км² проживают 10 млн человек, а дневное население столицы составляет около 13 млн. На каждого среднестатистического жителя Москвы, по данным Академии коммунального хозяйства, приходится 270 кг мусора в год. Каждый год Москва выбрасывает около 18 млн м³ мусора (бытовых отходов, осадков водопроводной, канализационной сети и ливневоочистных сооружений). Большая часть его добавляется к накопившимся за многие годы горам отходов на столичных свалках. Вокруг Москвы их более 200; самые большие по площади – это Тимохово, Хметьево, Саларьево, Щербинка. Кроме санкционированных свалок возникает множество стихийных (в поймах рек, лесах и вокруг дачных участков). В Московской области свалки занимают свыше 800 га.

В конце ХХ в. проблема утилизации городских отходов приобрела особую остроту и московские власти основательно взялись за развитие отрасли по обезвреживанию и переработке отходов. За отправную точку был взят принцип, много лет назад сформулированный шведскими учеными: «Нельзя сжигать то, что можно использовать; нельзя захоранивать то, что можно сжечь».

К 2015 г. в Москве предусмотрено построить 6 мусоропрессовочных станций, 8–10 мусоросжигательных заводов, намечено реконструировать существующие предприятия, подняв их производительность до 150 тыс. т отходов в год и оснастив разветвленными многоступенчатыми системами газоочистки, а также рекультивировать закрытые полигоны.

Для большинства промышленных городов России строительство мусоросжигательного завода должно быть под силу городскому бюджету. Оснащение завода отечественным оборудованием поможет снизить затраты. Рациональная технологическая схема позволит совместить работу завода с ТЭЦ или котельной, что повысит экономичность переработки отходов. Специалисты подсчитали, что для городов с населением 500–600 тыс. человек оптимальным будет завод производительностью 120–150 тыс. т бытовых отходов в год, а наиболее экономичным способом использования энергии – отпуск тепла.

Для крупных городов целесообразно строить несколько небольших заводов, а не возводить один огромный. Именно в этом направлении действует московская администрация. Вот, например, как действует мусоросжигательный завод (проектная мощность около 250 тыс. т ТБО в год) в Восточном административном округе столицы с населением 1380 тыс. человек.

Более 30% площади завода занято под прием ТБО и извлечение для рециркуляции стекла, пластмасс, черного и цветного металла, крупного картона. В месяц удается сохранить для вторичного использования до 80 т прессованного картона, около 100 т стекла, 100 т металла, извлечь свыше 1,5% (от общего объема мусора) пластмасс, в том числе самых вредных – хлорсодержащих. Оставшиеся фракции идут на сжигание. В цехе сжигания установлены три технологические линии производительностью 13,5 т/ч, в которых используются печи с вихревым кипящим слоем. Конструкция таких печей позволяет эффективно обезвреживать отходы с различной степенью влажности и зольности, осуществлять равномерное распределение температуры в кипящем слое, снижается выброс оксидов азота, а за счет интенсивного перемешивания отходящего потока газов с воздухом дожигается токсичный оксид углерода. Острый пар (12 атм, 310 °С), получаемый при сжигании мусора (до 32 т с каждой линии), подается на турбины, и этого вполне достаточно, чтобы обеспечить потребности завода в тепле и электричестве, а также передать излишки через общий коллектор с ТЭЦ потребителям.

Одновременно с переработкой отходов в печах начинается процесс очистки дымовых газов, для чего вместе с мусором в печь подается негашеная известь-пыленка. Она связывает вредные примеси HCl, HF и SO₂ в дымовых газах. Оборудование системы очистки отходящих газов занимает 2/3 всех производственных мощностей завода и предусматривает 6 степеней очистки: через первый подъемный газоход газы проходят при температуре 850–1000 °С в течение 2 с. За это время успевают разложиться почти все наиболее токсичные вещества (диоксины и фураны); далее дымовые газы попадают в циклоны (сепараторы), затем в полусухой абсорбер и роторный фильтр, а оттуда зола и продукты газоочистки поступают в систему золоудаления. Перед выходом очищенных газов в дымовую трубу их состав контролируется газоанализатором.

Процесс горения отходов регулируется и контролируется с центрального диспетчерского пульта, оснащенного компьютером. Автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления осуществляют непрерывный контроль за работой объектов энергетического хозяйства.

Зола и шлаки, образующиеся при сжигания мусора, перерабатываются в технический грунт для использования на технологических полигонах, а также поступают на предприятия строительной индустрии, где шлак используют для изготовления шлакоблоков и применяют на строительстве дорог. Однако о полной рециркуляции всех образующихся при сжигании ТБО золо-шлаковых остатков и твердых продуктов газоочистки пока говорить рано.

Сейчас завод перерабатывает 236,5 тыс. т ТБО в год. С выходом его на проектную мощность будет полностью решена проблема утилизации ТБО всего Восточного округа, что в  несколько раз снизит нагрузку на существующие вблизи ВАО подмосковные свалки.

В целом, опыт Москвы по энергоиспользованию ТБО демонстрирует хорошие перспективы для крупных городов России в области развития биоэнергетики на основе термической переработки бытовых отходов. Так что строить такие заводы надо. Но вот будет ли мусоросжигательный завод дополнительным источником энергии и помощником в решении проблемы санитарной очистки городов от бытовых отходов или станет производителем диоксинов, зависит от того, в какие руки он попадет, каков уровень компетентности его создателей и обслуживающего персонала и какова серьезность подхода к строительству и эксплуатации объекта.