8138

41

температуру. Затем смесь газов сжигают в обычных топочных устройствах. В процессе окислительного пиролиза образуется твердый углеродистый остаток (кокс), в то время как твердый остаток процесса газификации является минеральным продуктом (зола и шлак). В дальнейшем кокс можно использовать в качестве твердого топлива или в других целях.

Метод окислительного пиролиза с последующим сжиганием пиролизных газов универсален в отношении фракционного состава и фазового состояния отходов, их влажности и зольности. Окислительному пиролизу могут быть подвергнуты многие производственные отходы, «неудобные» для сжигания или газификации. Этим методом можно ликвидировать вязкие пастообразные отходы, влажные осадки, пластмассы; шламы с большим содержанием золы, загрязненную мазутом, маслами и другими соединениями землю, сильно пылящие отходы с легко увлекаемыми газом частицами, отходы, содержащие соли и металлы, которые плавятся и возгораются при нормальных температурах сжигания, отработанные шины, кабели в измельченном состоянии, автомобильный скрап и т.п. Обычно окислительный пиролиз проводят при 600-900°С (температура нагрева отходов).

При сжигании газов пиролиза дымовые газы меньше загрязнены летучей золой и сажей, чем при прямом сжигании отходов, что позволяет использовать их без дополнительной очистки для выработки водяного пара и в других целях. Имеются сведения, что тяжелые металлы, содержащиеся в отходах, фиксируются в коксовом остатке; кроме того, при пиролизе шестивалентный токсичный хром превращается в нетоксичный трехвалентный.

Окислительный пиролиз отходов осуществляют во вращающихся барабанных реакторах, в шахтных реакторах с вращающимся подом, в многоподовых реакторах, в реакторах с псевдоcжиженным слоем.

За рубежом указанный метод считают перспективным направлением ликвидации специальных промышленных твердых отходов и осадков

42

сточных вод. Освоение первой в России опытно-промышленной установки окислительного пиролиза твердых отходов во вращающемся барабанном реакторе осуществлено в Санкт-Петербурге.

Под сухим пиролизом понимают процесс термического разложения отходов, твердого и жидкого топлива без доступа кислорода. В результате сухого пиролиза отходов образуются пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкие продукты и твердый углеродистый осадок. Количество и качество продуктов сухого пиролиза зависят от состава отходов и температуры процесса. В зависимости от температуры различают три вида сухого пиролиза:

а) низкотемпературный пиролиз, или полукоксование (450-550°С), при котором максимален выход жидких продуктов и твердого остатка (полукокса) и минимален выход пиролизного газа с максимальной теплотой сгорания;

б) среднетемпературный пиролиз, или среднетемпературное коксование (до 800°С), при котором выход газа увеличивается при уменьшении его теплоты сгорания, а выход жидких продуктов и коксового остатка уменьшается;

в) высокотемпературный пиролиз, или коксование (900-1050°С), при котором минимален выход жидких продуктов и твердого остатка и максимален выход пиролизных газов с минимальной теплотой сгорания.

Низкотемпературный пиролиз отходов осуществляют с целью получения первичной смолы – наиболее ценного источника жидкого топлива и различных химических продуктов. Сухой пиролиз некондиционных каучуков позволяет получить мономеры, которые могут быть вновь использованы в производстве синтетических каучуков.

Основной целью высокотемпературного сухого пиролиза отходов является получение высококачественного горючего газа. Обычно теплота сгорания пиролизного газа Qнс = 12-15 МДж/м3, такой газ можно транспортировать на значительные расстояния.

43

Кокс, получаемый при сухом пиролизе отходов, можно использовать в различных целях, в зависимости от его состава и физических свойств. Коксовый остаток после пиролиза осадков сточных вод можно использовать в качестве сорбента на станциях водоподготовки и очистки сточных вод.

Исследования процессов сжигания, окислительного и сухого пиролиза различных осадков сточных вод позволили установить, что сухой пиролиз наиболее экономически эффективен и оказывает наименьшее влияние на окружающую среду. Наиболее эффективным способом утилизации твердых органических отходов на современном уровне развития техники также признан пиролиз. Однако в отношении целесообразности сухого пиролиза или сжигания твердых бытовых и некоторых промышленных отходов мнения специалистов расходятся. Наиболее перспективным считают пиролиз специальных промышленных отходов, прямое сжигание которых затруднено, а также осадков сточных вод.

За рубежом метод сухого пиролиза твердых промышленных отходов находится на стадии освоения опытных установок. В России проводятся исследования процесса на лабораторных установках.

Плазменный метод применяют для обезвреживания жидких и газообразных отходов двумя путями: плазмохимической ликвидацией особо опасных высокотоксичных отходов; плазмохимической переработкой отходов с целью получения товарных продуктов.

Особо токсичные, канцерогенные и другие опасные отходы, на которые установлены жесткие нормы ПДК в воздухе, воде и почве, могут подвергаться обезвреживанию в плазме. При температурах выше 4000°С за счет энергии электрической дуги в плазмотроне молекулы кислорода и отходов расщепляются на атомы, радикалы, электроны и положительные ионы. При остывании в плазме протекают реакции с образованием простых соединений CO2, H2O, HF, Р4О10 и др. Степень разложения полихлорбифенилов, метилбромида, фенилртутьацетата, хлор- и фосфорсодержащих пестицидов, полиароматических красителей достигает

44

99,9998%. Испытания, включающие деструкцию смесей ССl4 с метилэтилкетоном и водой и деструкцию трансформаторного масла, содержащего 13-18% полихлорированных бифенилов и столько же трихлорбензола, показали, что эффективность уничтожения хлорсодержащих компонентов превысила 99,99995%. Отходящие из плазмохимического реактора газы перед выбросом в атмосферу необходимо очищать от кислот и ангидридов известными способами.

Высокая степень разложения указанных веществ может быть достигнута и при огневом обезвреживании отходов в окислительной среде. Высокие затраты энергии и сложность проблем, связанных с плазмохимической технологией, предопределяют ее применение для ликвидации только тех отходов, огневое обезвреживание которых не удовлетворяет экологическим требованиям .

Метод огневого обезвреживания и переработки жидких, твердых, пастообразных и газообразных отходов наиболее универсален, надежен и эффективен, однако относится к ликвидационным методам и может быть рекомендован для отходов, утилизация которых невозможна или неэффективна. Сущность его заключается в сжигании горючих отходов или огневой обработке негорючих отходов высокотемпературными (более 800°С) продуктами сгорания топлива. Токсичные компоненты подвергаются окислению, термическому разложению и другим химическим превращениям с образованием безвредных газов (СО2, H2O, N2) и твердых остатков (оксидов металлов, солей).

Возможность полного превращения органических и окисляющих неорганических примесей при высоких температурах в безвредные продукты полного горения обусловливает высокую санитарногигиеническую эффективность огневого метода обезвреживания. Указанная возможность реализуется при обеспечении определенных режимных параметров процесса: температуры в огневом реакторе, удельной нагрузки рабочего объема реактора, дисперсности распыливания, аэродинамической

45

структуры и степени турбулентности газового потока в реакторе и др. Сжигание – процесс окисления органической части осадков при

повышенной температуре до нетоксичных газов (двуокись углерода, водяные пары и азот) и выделения минеральной части в виде расплава или сухого порошка (золы). Осадки городских сточных вод целесообразно сжигать после их механического обезвоживания либо термической сушки в тех случаях, когда они не могут быть утилизированы в сельском хозяйстве в качестве органического удобрения. Экономически целесообразно сжигать также шламы производственных сточных вод некоторых предприятий химической, нефтеперерабатывающей, угольной, других отраслей промышленности, используя их как тепловое сырье.

С технологической точки зрения сжигание представляет собой метод обезвреживания осадков с одновременным использованием последних в качестве топлива и утилизацией выделившейся теплоты, а в ряде случаев и образовавшейся золы в технологической схеме обработки осадков. Теплота используется для подогрева воздуха, необходимого для сжигания, а зола – как присадочный материал для интенсификации процесса обезвоживания осадков на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах.

Горению обезвоженных осадков всегда предшествуют эндотермический процесс их тепловой подготовки, включающий прогрев материала, испарение влаги и выделение летучих соединений. Затраты теплоты на этот процесс достаточно велики и в ряде случаев могут превышать количество теплоты, выделяющейся при сгорании осадков, т.е. для сжигания может потребоваться дополнительное количество топлива.

Вкачестве топочных устройств для сжигания осадков сточных вод за рубежом в основном применяются многоподовые печи и печи с кипящим слоем инертного носителя, а также барабанные печи, слоевые и камерные топки.

ВЕвропе метод сжигания находит очень широкое распространение. Так, по данным 1993 года, в Австрии сжигался 31% осадка, а захоранивалось

46

56%, в Швейцарии – соответственно 20 и 30%, в Германии – 15 и 55%, в Дании – 36 и 28%. В настоящее время в большинстве стран наблюдается тенденция к увеличению объемов сжигания осадков, и главным стимулом этого является постоянный рост цен на землю, который делает затраты на освоение новых технологий экономически более выгодными, чем расширение территории полигонов для захоронения осадков.

Технология сжигания осадка Pirofluid (в псевдоожиженном слое) фирмы OTV отличается тем, что процесс горения может происходить за счет теплотворной способности самого осадка и не требует дополнительной подачи топлива. Именно эта технология была принята за основу для проектирования комплекса обработки осадка на ЦСА г. Санкт-Петербург. Максимальная проектная производительность комплекса составляет 250 т сухого вещества в сутки.

Главным условием поддержания нормального процесса горения в печах Pirofluid можно считать состав механически обезвоженного осадка. Горючей составляющей осадка являются органические вещества, негорючей

– минеральные вещества и остаточная влага. При условии, что содержание минеральных веществ в осадке составляет 30-40% сухого вещества, на первый план выступает обеспечение максимального обезвоживания осадка на центрифугах. Для автотермичного процесса горения в печи необходима концентрация сухого вещества 28-32%.

Основой технологии Pirofluid является сжигание обезвоженного осадка в псевдоожиженном слое кварцевого песка. Обезвоженный осадок подается непосредственно в слой песка, температура которого составляет более 7000С, и смешивается с ним. Частицы осадка, попадая в зону высоких температур, отдают остаточную влагу, истираются в турбулентном потоке частиц песка, превращаясь в мелкодисперсную пыль. Плотность частиц осадка меньше плотности песка, поэтому они поднимаются в верхнюю часть реактора, где происходит процесс горения. Органическая составляющая осадка активно окисляется в избытке кислорода и превращается в газообразные продукты

47

горения, а минеральная в виде мелкодисперсной золы выносится потоком дымовых газов в газоход. Основой нормального режима горения в печи является поддержание температуры псевдоожиженного слоя в пределах 7508500С. Необходимость периодического добавления или выгрузки песка определяется, как правило, содержанием его в осадке очистных сооружений.

После котла-утилизатора дымовые газы поступают в линию подачи дымовых газов к электрофильтру (эффективность золоулавливания до 99,8%). Абсолютно сухую золу с температурой 2500С невозможно транспортировать, т.к. мелкодисперсная фаза очень быстро выветривается. В связи с этим возникает необходимость увлажнения ее до 25-30%. Продукты сгорания проходят кислую и щелочную промывки с целью удаления вредных примесей. Далее уходящие газы подогреваются до 1300С для улучшения рассеивания в атмосфере. Существенным фактором, определяющим эффективность технологии Pirofluid, является состав уходящих дымовых газов. Представленная технология очистки с помощью электрофильтра и двухступенчатой промывки, разработанная фирмой «Speic» (Франция), позволяет не превышать следующие концентрации загрязнений, мг/Н х м3: пыли – 30; НCl – 20; HF – 2; SO2 – 200; тяжелых металлов: Pb+Cr+Cu+Mn – 3; Ni+As – 1; Cd+Hg – 0,2. Это один из примеров наиболее высокой степени газоочистки в мире. Фактические замеры показали, что концентрации загрязнений значительно ниже проектных.

Полученную золу после сжигания осадка захоранивают на специализированных полигонах. Использование золы в качестве удобрений недопустимо из-за высокого содержания тяжелых металлов.

2.1.2. Реагентные методы

Наряду с обеззараживанием термическими методами применяется химическое обеззараживание как жидких, так и обезвоженных осадков городских сточных вод.

48

Считается, что для создания неблагоприятных условий для жизнедеятельности патогенной микрофлоры и жизнеспособных яиц гельминтов необходимы прекращения брожения и гниения в осадке. Поскольку ферменты гниения и брожения наиболее активны в области рН 5– 7, предлагаются обработки, приводящие к изменению рН осадка. По ряду причин предпочтение отдается повышению рН. Для этого рекомендуется обработка осадка гашеной или негашеной известью, либо аммиаком.

Введение в осадки извести повышает их рН до 10 и более. При указанном значении рН сырые осадки теряют запах, а развитие в них санитарно-показательных микроорганизмов (кишечной палочки и энтерококка) подавляется. При рН>12 достигается достаточно эффективное обеззараживание. Однако щелочная среда не оказывает существенного влияния на яйца гельминтов. Деформация и гибель яиц гельминтов происходит при введении в осадки негашеной извести, которая наряду с повышением щелочности осадков обеспечивает в процессе гашения повышение температуры осадков. В определенный период обработка осадка известью была достаточно распространена. Как правило, она сочеталась с обработкой осадка хлорным железом как флокулянтом. Позднее применение извести существенно сократилось по причине больших расходов реагента и увеличения объема осадка, недостаточной эффективностью обеззараживания и отсутствием консервирующего действия. Способ обеззараживания осадков негашеной известью применяется на некоторых очистных сооружениях в Финляндии, Германии, Швеции, США и других странах.

Широкое распространение получили способы обеззараживания осадков химическими веществами, которые применяются самостоятельно либо для удобрения почвы, либо для уничтожения вредных почвенных микроорганизмов или сорняков. К таким веществам относятся аммиак (аммиачная вода) и др.

Полное обеззараживание механически обезвоженных осадков происходит при смешивании с аммиачной водой в количестве 5% (по

49

аммиаку) по массе осадка и выдержке не менее 10 сут или в количестве 8% и продолжительности выдержки не менее 5 сут с поддержанием температуры смеси в пределах 18–23° С. При снижении температуры до 3–6°С доза увеличивается до 8–12% с соответствующим увеличением продолжительности выдержки до 15–10 сут.

Применение вместо аммиачной воды безводного аммиака более эффективно, так как для обеззараживания требуется меньший расход аммиака, что связано с экзотермической реакцией его при растворении. По сравнению с применением аммиачной воды применение безводного аммиака позволяет получать обеззараженный осадок меньшей влажности. Обеззараживание осадков безводным аммиаком достигается при дозе 3% (по аммиаку) по массе осадка и экспозиции 10 сут.

Другой подход основан на применении реагентов с противомикробным и противогельминтным действием. По механизму действия эти реагенты подразделяются на окислители и биоциды. Действие первых основано на окислительной деструкции белков оболочек микроорганизмов, а вторых – на реакциях с периферическими белками, на внедрение в оболочку клетки микроорганизма, либо на проникновении внутрь клетки и ее отравлении.

К числу рекомендуемых окислительных реагентов относятся: хлорная известь, хлорамин и перекись водорода. Эти реагенты применяются в санитарной обработке бытовых и промышленных помещений, санитарной и медицинской техники, зараженной почвы. Вместе с тем при обработке осадка данными реагентами даже в значительных дозах количество жизнеспособных яиц гельминтов снижается не более чем на 80–90 %. Реагенты токсичны для человека и животных – опасные или умеренно опасные вещества (вещества второго и третьего класса опасности), а применение хлорсодержащих окислителей сопровождается вредными выбросами хлора в атмосферу. Обработка биологически нестабильных объектов не исключает возобновление гниения. По указанным причинам окислительные реагенты не нашли массовое применение для обработки осадка.

50

Из биоцидов рекомендуются карботион, тиазон, кальциевая соль дитиокарбоновой кислоты. Наибольшее применение получил тиазон, который под действием воды разлагается на формальдегид и метилдитиокарбонат метиламмония. Формальдегид известен как антисептик, метилдитиокарбонат метиламмония ингибирует действие ряда ферментов.

Опыты, проведенные на Курьяновской станции аэрации, подтвердили, что тиазон эффективен для обеззараживания осадков сточных вод. Тиазон в дозе 0,2–2% общей массы осадка и экспозиции 3–10 сут оказывает губительное действие не только на яйца гельминтов, но и на патогенные микробактерии, в том числе туберкулеза, также на яйца и личинки мух. Это обеспечивает получение эпидемиологически безопасного, пригодного для удобрения осадка, внесение которого в почву позволяет дополнительно осуществлять основную функцию тиазона, т.е. уничтожать в почве возбудителей инфекций, плесени, фитонематоды и сорняки.

Исследования по обработке осадков тиазоном, проведенные НИИ КВОВ, позволили установить, что овицидное действие тиазона основано на блокировании дыхательных ферментов зародышей продуктами распада, получаемыми в процессе гидролиза тиазона. Доза тиазона, обеспечивающая дегельминтизацию осадков различных станций аэрации, составляет 0,5% массы осадков при перемешивании в двухроторном смесителе с z- образными лопастями или ленточном растворосмесителе периодического действия в течение 60 мин и с последующей выдержкой под пленкой в течение 7–10 сут в буртах, устраиваемых на площадках с твердым покрытием.

В США разработана технология обеззараживания и повышения удобрительной ценности осадков сточных вод путем обработки их формальдегидом в сочетании с мочевиной.

Применение извести, аммиака, тиазона, формальдегида и мочевины позволяет использовать двойное их действие на осадки и почву, что приводит к снижению эксплуатационных затрат на обеззараживание осадков