Стольберг Ф.В. Экология города (урбоэкология)

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов

341

щих отходов: окалины, пылей, шламов, пиритных огарков. Для проведения

агломерации на основе таких BMP приготовляют шихту, включающую твердое

топливо, концентрат, флюсы, отходы. При горении топлива происходит спе-

кание минеральных компонентов шихты. Спеченный концентрат дробят до

нужных размеров, просеивают, мелкие фракции возвращают на агломерацию.

Классификацию и сортировку по фракциям осуществляют просеиванием и

грохочением путем использования различных конструкций сит, решеток, гро-

хотов; гидравлической и воздушной сепарации с помощью гидроциклонов,

спиральных классификаторов.

Обогащение осуществляют выделением одного или нескольких компонентов

из общей массы отходов. Самыми распространенными являются гравитаци-

онные, флотационные, электрические и магнитные способы обогащения.

Гравитационные способы обогащения основаны на различии плотности и

скорости падения частиц обогащаемого материала в жидкой или воздушной

среде. Эти методы разделяют на промывку, обогащение отсадкой, в тяжелых

суспензиях, в перемещающихся по наклонным поверхностям потоках.

Отсадка представляет собой процесс разделения минеральных частиц по

плотности под действием переменных по направлению вертикальных струй

воды или воздуха, проходящих через решето отсадочной машины.

Обогащение в тяжелых суспензиях и жидкостях заключается в разделе-

нии материалов по плотности с помощью суспензий или жидкостей, плот-

ность которых является промежуточной между плотностями разделяемых ча-

стиц. Для обогащения применяют различные типы сепараторов.

Обогащение в потоках на наклонных поверхностях осуществляют на кон-

центрационных столах, шлюзах, винтовых сепараторах. Обогащение матери-

ала происходит в тонком слое воды под действием различно направленных

потоков воды.

Промывку осуществляют с помощью промывочных машин для отделе-

ния глинистых, песчаных и других минеральных, а также органических при-

месей от твердых отходов. Для промывки используют воду, иногда с добавка-

ми ПАВ, острый пар, различные растворители.

Флотационные способы основаны на различной смачиваемости поверх-

ностей частиц водой. Тонкоизмельченные отходы обрабатывают водой, к

которой добавляют флотационные реагенты, усиливающие различие в сма-

чиваемости частиц рудного минерала и пустой породы. В качестве реагентов

используют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, амины и др.

Эффект разделения флотацией зависит от насыщения воды пузырьками

воздуха, прилипающими к зернам тех минералов, которые плохо смачивают-

ся, становясь более легкими, они выносятся на поверхность, отделяясь от

хорошо смачиваемых частиц. В зависимости от характера насыщения воды

воздухом различают напорную, барботажную (пенную), электрическую, био-

логическую и химическую флотацию.

Магнитные способы обогащения основаны на разделении материалов по

магнитным свойствам. Их применяют в том случае, если отходы содержат

342

Экология городов

металлические включения. Материалы предварительно измельчают, класси-

фицируют, некоторые обжигают. Обогащение материалов крупностью до

3 мм проводят сухим способом, мельче 3 мм — мокрым. Используют магнит-

ные сепараторы различных типов.

Электрические способы обогащения основаны на различии электро-

физических свойств разделяемых материалов. Такими способами обога-

щают рудное сырье, отходы, содержащие примеси цветных металлов, фор-

мовочные смеси, пески для стекольной промышленности. Для этих целей

используют электрические сепараторы. При контакте с поверхностью за-

ряженного металлического электрода частицы обогащаемого материала по-

лучают заряд, величина которого зависит от электропроводности частиц.

Наэлектризованные частицы направляют в электрическое поле, где про-

исходит их сепарация.

Термические методы переработки и обезвреживания отходов. К ним от-

носятся пиролиз, газификация, огневой метод обезвреживания и перера-

ботки отходов.

Пиролиз представляет собой процесс разложения органических соедине-

ний под действием высоких температур при отсутствии или недостатке кис-

лорода. В результате пиролиза образуются пиролизный газ, смолы и твердый

углеродистый остаток (сажа, активированный уголь и др.).

Количество и качество продуктов пиролиза зависят от состава отходов и

температуры процесса. В зависимости от температуры различают три вида

пиролиза:

• низкотемпературный пиролиз (450—550° С), при котором достигается

максимальный выход смол и твердого остатка, а также минимальный

выход пиролизного газа с высокой теплотой сгорания;

• среднетемпературный пиролиз (до 800° С), при котором выход газа уве-

личивается при уменьшении его теплоты сгорания, а выход смол и твер-

дого остатка уменьшается;

• высокотемпературный пиролиз (900—1050° С), при котором выход жид-

ких продуктов и твердого остатка минимален, а выход пиролизных га-

зов с невысокой теплотой сгорания максимален.

Разработаны и другие методы высокотемпературного пиролиза при тем-

пературах до 1700° С.

Пиролизу подвергают отходы пластмасс, резины, шламы нефтеперера-

ботки и др.

В настоящее время известно более 50 систем по пиролизу отходов, отли-

чающихся друг от друга видом перерабатываемых отходов, температурой про-

цесса и конструктивными решениями установок.

Продукты пиролиза могут широко использоваться в народном хозяйстве.

Основными компонентами пиролизного газа являются водород, метан и

оксид углерода. Пиролизный газ имеет преимущества перед природным, так

как не содержит соединений серы.

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов 343

Твердый продукт пиролиза — сажу используют в производстве резино-

технических изделий, пластмасс, типографских красок, пигментов. Инерт-

ные материалы, например, расплавленный шлак, гранулируют и используют

в промышленности строительных материалов.

Газификация представляет собой термохимический высокотемпературный

процесс взаимодействия органических соединений с газифицирующими аген-

тами, в результате чего органические соединения превращаются в горючий

газ. В качестве газифицирующих агентов применяют воздух, водяной пар,

диоксид углерода, а также их смеси.

Процессы пиролиза получили большее распространение, чем газифи-

кация.

Огневой метод обезвреживания и переработки отходов заключается в сжи-

гании горючих отходов и огневой обработке негорючих отходов высокотем-

пературными продуктами сгорания топлива. Эти методы включают переплав,

например, металлолома, отходов термопластов, отвальных металлургических

шлаков, обжиг пиритных огарков и железосодержащих шламов, спекание галь-

ванических шламов.

Метод выщелачивания основан на извлечении одного или нескольких

компонентов из комплексного твердого материала путем их избирательно-

го растворения в жидкости-экстрагенте (растворителе). Этот метод исполь-

зуется при извлечении металлов из шлаков, пиритных огарков, отходов

горнодобывающей промышленности; при извлечении лигнина из древес-

ных отходов и т.д.

В зависимости от характера физико-химических процессов, протекаю-

щих при выщелачивании, различают простое растворение и выщелачивание

с химической реакцией. Скорость выщелачивания зависит от концентрации

реагентов, температуры, интенсивности перемешивания, величины поверх-

ности твердой фазы и других факторов.

Механическому обезвоживанию подвергаются осадки бытовых и промыш-

ленных сточных вод, гальванические шламы и другие водонасыщенные отхо-

ды, образуемые в мокрых технологических процессах. Часто такие отходы

представляют собой трудноразделяемые суспензии. Для улучшения водоот-

дачи проводят предварительную обработку их реагентными и безреагентны-

ми способами. В качестве реагентов используют известь, соли железа, алю-

миния. Основными недостатками реагентного способа обработки являются

высокая стоимость и дефицитность реагентов, а также коррозионное воздей-

ствие их на оборудование.

Безреагентная обработка отходов предусматривает замораживание и от-

таивание, тепловую обработку, введение в состав отходов опилок и др.

При замораживании и оттаивании связанная вода переходит в свободную

и отделяется от твердой фазы. Тепловая обработка заключается в нагревании

отходов до температуры 170—200° С, при этом часть органического вещества

распадается, осадок уплотняется и лучше отдает воду.

344

Экология городов

Основными методами механического обезвоживания отходов являются

фильтрование, центрифугирование и пропуск пульпы через гидроциклон.

При фильтровании отходов обычно используют вакуум-фильтры и

фильтр-прессы. Фильтрующей средой является фильтровальная ткань и слой

осадка, прилипающий к ткани и образующий в процессе фильтрования до-

полнительный фильтрующий слой, который и обеспечивает задержание мель-

чайших частиц суспензии. Наибольшее распространение получили барабан-

ные вакуум-фильтры. Кроме барабанных, применяются ленточные, диско-

вые вакуум-фильтры, а также фильтр-прессы, виброфильтры.

Центрифугирование обеспечивает высокую степень обезвоживания

пульпы. Промышленность выпускает различные типы центрифуг, приме-

няемые для разных отходов.

Для сгущения и обезвоживания осадков на очистных сооружениях

средних и малых предприятий получили распространение гидроцикло-

ны, которые применяются, как правило, в комбинации с бункерами-уп-

лотнителями.

8.9. Технология складирования твердых отходов

В зависимости от состояния образующихся твердых отходов различают

гидравлический и сухой способы складирования.

Гидравлический способ применяют для отходов, образующихся при

мокром способе обогащения; пылей, золы ТЭС, улавливаемых мокрым спо-

собом; шламов и других промышленных отходов, находящихся в насы-

щенном водой состоянии. Этот способ заключается в транспортировании

пульпы по трубопроводам (пульповодам) с помощью насосов и выпуске ее

в хранилище.

Пульпой называется смесь твердых частиц и воды. Основной характе-

ристикой ее является консистенция — соотношение массы твердых частиц

и жидкости (Т:Ж ). Т:Ж зависит от типа отходов, технологии образования и

может колебаться в больших пределах, например, от 1:1 до 1:30 и более.

Хранилища отходов представляют собой гидроотвалы, хвостохранили-

ща, шламохранилища, шламонакопители и т.д. В зависимости от топогра-

фических условий местности различают следующие типы хранилищ: балоч-

ные, пойменные, косогорные, равнинные, котлованные. Для образования

емкости любого типа хранилища, кроме котлованного, требуется устрой-

ство ограждающих дамб или плотин. Балочные хранилища устраивают в

балках или оврагах перегораживанием их дамбой или плотиной, пойменные

и косогорные — ограждением дамбами с двух-трех сторон в зависимости от

рельефа, равнинные хранилища ограждают по периметру.

Хранилище содержит в своем составе ограждающую дамбу, надводный

пляж, пруд-отстойник, подводный пляж, пульповоды, водосбросные ко-

лодцы, водоспускные коллекторы, канаву, насосные станции (рис.8.7).

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов 345

Рис. 8.7. Типы хранилищ

отходов:

а) балочное; б) равнинное;

в) пойменное; г) косогор-

ное

1 — дамба; 2 — надводный

пляж; 3 — пруд-отстойник;

4 — водосбросной колодец;

5 - водоспускной коллек-

тор; 6 — канава; 7 — плаву-

чая насосная станция

Заполнение хвостохранилища может быть односторонним и кольцевым.

При одностороннем замыве сброс пульпы происходит от дамбы к берегам,

при кольцевом — по периметру дамбы (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Схемы заполнения хранилища:

а) односторонний замыв балочного хранилища; б) кольцевой замыв равнинного хранилища

1 — первичная дамба; 2 — вторичная дамба; 3 — распределительный пульповод;

4 — выпуск; 5 — надводный пляж; 6 — пруд-отстойник; 7 — водосбросной колодец; 8 —

водоспускной коллектор; 9 — канава; 10 — плавучая насосная станция

346

Экология городов

Конструкция ограждающей дамбы зависит от рельефа местности, пород

основания, объема хранилища. При ее устройстве максимально используют

складируемые отходы.

Ограждающая дамба состоит из первичной и вторичных дамб. Первич-

ную дамбу устраивают высотой 5—10 м из местных материалов, вскрышных

пород и др. Она предназначена для устройства хранилища первой очереди.

Вторичные дамбы устраивают высотой до 3 м из отходов (хвостов) отсыпкой

строительными механизмами из материала надводного пляжа.

Пульповоды располагают по гребню ограждающих дамб, сброс пульпы в

хранилище осуществляется с помощью рассеивающих выпусков или торце-

вым способом.

На надводном пляже происходит фракционирование складируемых отхо-

дов по плотности и крупности. У места выпуска пульпы откладываются более

крупные и тяжелые частицы, а в пруд попадают самые мелкие и легкие.

В пруде происходит осветление сбросной воды, которая с помощью водо-

сбросных колодцев и водоспускных коллекторов отводится из хвостохрани-

лища, а затем с помощью насосной станции перекачивается в оборотную

систему водоснабжения предприятия.

Хранилища отходов занимают большие территории нередко сельскохо-

зяйственных земель, в них происходит пыление подсохших поверхностей

надводных пляжей, наблюдается подтопление прилегающих территорий и

загрязнение подземных вод.

Для борьбы с пылением поверхностей пляжей предусматривают их оро-

шение и обводнение, намыв глинистых экранов, химическое закрепление

пылящих отходов. Для защиты от подтопления устраивают канавы, продоль-

ные дренажи. Для защиты подземных вод от загрязнения предусматривают

противофильтрационные мероприятия.

Сухой способ складирования отходов зависит от вида используемого транс-

порта. Для промышленных предприятий наибольшее распространение полу-

чил автомобильный транспорт. В горнодобывающей промышленности при

большом расстоянии транспортировки используют также железнодорожный

транспорт. Отвалообразование отходов угледобычи производят также с помо-

щью опрокидывающихся вагонеток (скипов) с канатной откаткой их по на-

клонным рельсовым путям, а также с помощью канатных подвесных дорог,

конвейерного транспорта.

При использовании автомобильного и железнодорожного транспорта от-

валы устраивают плоскими, платообразными, одноярусными, многоярус-

ными, терассированными высотой 30—100 м. Отсыпка производится слоя-

ми толщиной 1,0—1,5 м с уплотнением самим автотранспортом за счет не-

скольких проходок или уплотняющими катками. Отходы могут отсыпаться

из кузовов или перегрузкой конвейерными отвалообразователями, экскава-

торами, бульдозерами, скреперами и другой техникой. Разгрузочные пути

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов

347

устраивают веерообразно с тупиками или по кольцу. По мере отсыпки по-

роды их перекладывают.

Отсыпка отвалов с помощью опрокидывающихся вагонеток производит-

ся откаткой и* по наклонным рельсовым путям. Угол подъема вагонеток и

соответственно крутизна откоса отвала составляет =20°. По мере отсыпки

отвала наклонные пути наращивают. Такие отвалы называют коническими

(терриконы). Отсыпка может производиться одновременно в несколько отва-

лов попеременно (групповые отвалы). Схемы откатки вагонеток могут быть

однопутными и двухпутными. Конические отвалы ограничивают производи-

тельность складирования и применяются при небольшом расстоянии транс-

портировки (рис. 8.9).

Отвалы с применением ленточных конвейеров обеспечивают большую

производительность. Наибольшее распространение получили отвалы с по-

степенно удлиняемыми ленточными конвейерами и консольным сектор-

ным поворотом.

Отвалы с канатными подвесными дорогами устраивают с помощью воз-

вратно-поступательного движения вагонеток. Одна вагонетка находится на

погрузке, другая — на разгрузке. Отвалы могут быть конусные, которые фор-

мируются при одной конечной мачте; штабельные — с помощью нескольких

мачт; однолучевые и многолучевые. Высота отвалов обычно 15—30 м. От-

вальный метод складирования требует больших первоначальных капиталь-

ных затрат на сооружение мачт (рис. 8.10).

При отсыпке отвалов на полную высоту без послойной укатки происхо-

дит сегрегация материала — разделение по крупности по высоте отвала. В

верхней части откладываются более мелкие и легкие фракции материала, а

вниз скатываются более крупные и тяжелые.

Рис. 8.9. Схема террикона

348

Экология городов

Рис. 8.10. Схемы отвалов с канатными подвесными дорогами:

а) конусные; б) штабельные

1 — отвал; 2 — вагонетка; 3 — лебедка; 4 — канатная подвесная дорога; 5 — мачта

8.10. Утилизация промышленных отходов

В связи с большим разнообразием промышленных отходов для система-

тизированного рассмотрения, в данном разделе отходы сгруппированы по

промышленным комплексам и источникам образования.

8.10.1. Утилизация отходов топливно-энергетического

комплекса

Основными видами твердого топлива являются каменные и бурые угли.

Преобладающая часть угля в Украине добывается подземным способом. От-

ходы образуются при добыче, обогащении и сжигании угля.

Отходы добычи называют вскрышными или шахтными городами в зави-

симости от способа разработки. При подземном способе добычи извлекается

меньше попутных пород, чем при открытом, но и они составляют значитель-

ные объемы. Так, например, на 1 т угля при открытой добыче образуется до

3—5 т вскрышных пород, при подземной — до 0,2—0,3 т шахтных.

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов

349

Вскрышные и шахтные породы имеют неоднородный химический и ми-

нералогический состав и представляют осадочные породы — глины, суглин-

ки, супеси, аргилиты, алевролиты, песчаники, глинистые и песчанистые слан-

цы, известняки. Дольше всего в их составе аргилитов (до 60%). Кроме того,

они содержат в своем составе уголь до 20%, серу, содержание которой про-

порционально содержанию угля, в небольших количествах цветные, редкие

металлы, в следовых количествах радионуклиды — уран, торий.

Отвалы занимают большие площади земель, подвергаются водной и вет-

ровой эрозии, загрязняя прилегающую территорию. Значительный урон при-

родной среде приносит самовозгорание терриконов. Основной причиной са-

мовозгорания является окисление угля, сопровождающееся выделением боль-

шого количества тепла, которое аккумулируется в порах пород и обеспечивает

возгорание горючих материалов. В отдельных отвалах эти процессы проходят

настолько интенсивно, что отвальные породы разогреваются до высоких тем-

ператур и горят с выделением значительного количества углеводородов, сажи,

оксидов азота, серы, углерода и др. Поэтому вокруг отвалов устраивают за-

щитные зоны, что приводит к увеличению площади отчуждаемых земель.

Основными мероприятиями по предупреждению самовозгорания породных

отвалов является ограничение притока кислорода и уменьшение количества

горючих компонентов в складируемой породе.

С этой целью в некоторых странах проводят дополнительное извлечение

угля с помощью специальных установок на групповых отвалах. Для сниже-

ния притока кислорода отвалы уплотняют. Этого можно достичь путем дроб-

ления породы, уплотнением ее при складировании с помощью автотранспор-

та, катков, вибраторов, затоплением водой, устройством глинистых экранов,

обработкой пород суспензиями извести, известняка, глины. Такие отвалы

рекомендуется устраивать плоскими. Породы в них уплотняют слоями тол-

щиной 1,0—1,5 м, а по периметру устраивают дамбы из инертных материалов

или перегоревших пород.

Твердые отходы угледобычи используют в качестве низкосортного топли-

ва (при определенном содержании горючих составляющих), как компонен-

ты, повышающие плодородие почв, и как сырье при производстве строитель-

ных материалов. Однако из-за неоднородности состава утилизация их слож-

на и не всегда экономически оправдана.

Перспективным направлением утилизации пород, содержащих углероди-

стое вещество, является их газификация. Газификации целесообразно под-

вергать свежую породу, содержащую 20% и более горючих веществ. При этом

дополнительно получают энергетическое топливо, а зольный остаток можно

использовать для производства строительных материалов.

В мировой практике отходы угледобычи используют для закладки выра-

ботанных шахтных пространств. Разработаны технологии закладки без подъема

породы наверх.

Особую группу отходов угледобычи представляют горелые породы, обож-

женные в недрах земли при естественных подземных пожарах в угольных

пластах и аналогичные им перегоревшие отвальные шахтные породы. По

350

Экология городов

основным физико-химическим свойствам они близки к глинам, обожжен-

ным при температуре 800—1000° С, истинная плотность их составляет 2400—

2700 кг/м

, плотность куска — 1300—2500 кг/м

. Содержание топлива в ес-

тественных горелых породах достигает 2—3%, в отвальных горелых породах

его может быть значительно больше. Горелые породы могут широко ис-

пользоваться при производстве строительных материалов. Они, как и дру-

гие обожженные глинистые материалы, обладают гидравлической актив-

ностью и могут использоваться как активные минеральные добавки для бес-

клинкерных известково-глинитных и сульфатно-глинитных вяжущих.

Известково-глинитные вяжущие получают совместным тонким помолом го-

релых пород и извести с небольшой добавкой гипса. Они содержат в своем

составе 10—30% извести в зависимости от активности горелой породы, до

5% гипса, остальное — горелая порода.

Сульфатно-глинитные вяжущие получают совместным помолом двувод-

ного гипса (50—65%), горелой породы (15—40%) и портландцементного клин-

кера (10—20%). Такие вяжущие применяют для производства низкомарочных

бетонов и растворов.

Горелые породы применяют как гидравлические добавки в количестве до

20% к портландцементу и 25—40% к пуццолановому портландцементу.

В бетонах и растворах горелые породы используют в качестве крупных и

мелких заполнителей. Горелые породы также используют для производства

щебня, пористых заполнителей (аглопорита и керамзита), асфальтобетона,

для устройства дорожных оснований под покрытия, насыпей и т.д.

Аглопорит — искусственный пористый заполнитель, получаемый спека-

нием глинистых пород или различных отходов на решетках агломерацион-

ных машин и последующим дроблением спекшегося коржа. Получают агло-

порит в виде щебня.

Керамзит — это искусственный пористый заполнитель, получаемый вспу-

чиванием и спеканием гранул, сформованных из вспучивающихся глин или

различных отходов, во вращающейся печи.

Широкое использование горелых пород затрудняется их неоднороднос-

тью и содержанием несгоревшего топлива.

Отходы углеобогащения образуются при обогащении угля для коксова-

ния, энергетических и других целей и представляют собой смесь осадочных

пород, частиц угля и угольно-минеральных сростков. В их состав входят в

различных соотношениях в зависимости от района добычи глины, аргилиты,

сланцы, алевролиты, песчаники, известняки, кальциты. Содержание органи-

ческой массы может достигать 15% и более. Кроме того, в отходах содержатся

сера, микроэлементы — свинец, цинк, молибден, галлий, германий и др.

По зерновому составу отходы обогащения разделяют не породы обогаще-

ния крупностью от 200 до 0,5 мм, образуемые при гравитационном обогаще-

нии угля (преимущественное содержание фракций 5—40 мм), и хвосты фло-

тации крупностью <0,5 мм, образуемые при флотационном обогащении. По-

роды обогащения составляют основную массу отходов (до 90%). Складируют