Экология / Промышленная экология и медицина труда

Тихомирова Е. Г., Ярцев В. А., Чуркина И. О., Семин Е. Г.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Россия

Экологические проблемы промышленной переработки твердых коммунальных отходов (ТКО)

 

В настоящее время в условиях усложнения объектов прогнозирования и динамичности внешней среды, адекватная классификация составляющих компонентов технологического прогнозирования и системный подход должны решать проблемы систематизации знаний всех тонкостей технологического передела, выбора методов стратегического прогнозирования, появления и оценки новых технологических приемов. Особенно указанное относится к проблеме переработки ТКО с оценкой рисков, возникающих при генерации продукта передела – диоксина [1-6].

Диоксин – один из самых коварных ядов, известных человечеству. Он является наиболее сильным антропогенным ядом, отличается высокой стабильностью, долго сохраняется в окружающей среде и организмах, переносится по цепям питания, длительное время воздействуя на живые организмы.

Определение диоксинов в окружающей среде и в биологических объектах является одной из труднейших аналитических задач (см. табл. 1).

Таблица 1

Предельно допустимые концентрации

или уровни некоторых токсичных веществ в различных объектах [1]

Вещество

Вода, мг/л

Воздух, мг/м3

Почва, мг/кг

подвижная форма

валовая форма

Диоксины (ДЭ)*

5×10-8

5×10-10

-

1×10-8

Бенз(а)пирен

5×10-6

1×10-6

-

0,02

Трихлорбифенилы

0,001

-

-

0,03

Пентахлорбифенилы

0,001

-

-

0,1

ДДТ

0,1

5×10-4

-

0,1

Гексахлорциклогексан

0,02

0,03

-

0,1

N-нитрозодиметиламин

-

5×10-5

-

-

a-Нафтиламин

-

0,003

-

-

Ртуть

5×10-4

3×10-4

-

2,1

Кадмий

0,001

3×10-4

3,0

-

Свинец

0,03

3×10-4

6,0

32

*ДЭ – диоксиновый эквивалент

 В табл. 2 перечислены основные процессы, приводящие к попаданию диоксинов в воздух по оценке агентства охраны окружающей среды США.

Таблица 2

Основные источники образования ПХДД и ПХДФ в США [1]

Источник эмиссии

I-TEQDF

Размерность

Всего, г/год

1995

1987

Сжигание бытового мусора

38,2

нг/кг

1100

7915

Сжигание опасных отходов

3,83

нг/кг

5,7

5,0

Сжигание медицинских отходов

589

нг/кг

461

2440

Крематории

17

Мкг/тело

9,1

5,5

Сжигание сточных вод

6,94

нг/кг сухого

осадка

14,6

6,0

Сжигание покрышек

0,282

нг/кг резины

0,11

0,11

Автотранспорт

– этилированный бензин

45

пг/км пробега

1,7

31,9

– неэтилированный бензин

1,5

пг/км пробега

5,6

3,3

– дизельное топливо

172

пг/км пробега

33,5

26,3

Топка древесиной          

 – бытовая

2

нг/кг

62,8

89,6

 –  промышленная

(с отходами производства бумаги)

0,56-13,2

нг/кг

26,2

25,1

Топка углем в коммунальном хозяйстве

0,079

нг/кг

60,9

51,4

Промышленное сжигание масел

0,20

нг/л масла

9,3

15,5

Производство цемента

– при сжигании опасных отходов

1,04-28,58

нг/кг цемента

145,3

109,6

– без сжигания опасных отходов

0,27

нг/кг цемента

16,6

12,7

Регенерация катализаторов нефтепереработки

1,52

нг/баррель

продукта (159 л)

2,11

2,14

Реактивирование угля

1,2

нг/кг угля

0,08

0,06

Курение

0,43-2,9

пг/сигарета

0,8

1,0

Печи для уничтожения картона

0,029

нг/кг отходов

2,3

2,0

Природные пожары

2

нг/кг биомассы

208

170

Черная металлургия (агломерат)

0,55-4,14

нг/кг агломерата

25,1

29,3

Производство меди и природного сырья

<0.31

нг/кг продукта

<0,5

<0,5

Переплавка медного лома

3,6-16600

нг/кг лома

266

966

Переплавка алюминиевого лома

21,1

нг/кг лома

27,4

15,3

Переплавка свинцового лома

0,05-8,31

нг/кг продукта

1,63

1,22

Производство дихлорметана и винилхлорида

0,95

нг/кг

12,76

 

Отбеливание древесной и бумажной пульпы

 

 

20,9

370,1

Производство 2,4-дихлорфенокси-уксусной кислоты

 

 

28,9

33,4

Осадки бытовых стоков

 

 

76,6

76,6

Осадки промышленных стоков

 

 

2,6

2,6

Малоизученные источники, предварительная оценка

Сжигание мусора возле домов

140

нг/кг

1125

 

Пожары мусорных свалок

4,0

мкг/человека

1050

 

Случайные пожары

66,5

Мкг/пожар

48,6

 

Дуговые сталеплавильные печи

1,15

нг/кг лома

44,3

 

Топка углем       

– промышленная

0,6

нг/кг

39,6

 

– бытовая

6,0

нг/кг

32,0

 

Сталелитейные заводы

1,26

нг/кг сырья

17,5

 

Бытовые сточные воды

0,29

пг/л

13

 

Производство асфальта

14

нг/т

7,0

 

Производство кокса

0,23

нг/кг угля

6,9

 

Топка газом, полученным из органических отходов

1,4

нг/м3

6,6

 

Бытовое сжигание масел

0,15

нг/л

6,0

 

Топка биогазом

0,46

нг/м3

0,22

 

Продукция, содержащая диоксины

Пентахлорфенол

 

 

8400

36000

Отбеленная древесная пульпа

 

 

24,1

505

Диоксазиновые красители

 

 

0,36

64,0

Дихлорметан, винилхлорид

 

 

0,02

н.д.

На основании таблицы можно сделать вывод, что значительный урон окружающей среде и человеку наносят процессы, связанные со сжиганием мусора.

Данное положение можно подтвердить на примерах расчета вреда здоровью населения при использовании технологии термического обезвреживания отходов.

Расчет максимального значения  приземной концентрации вредных веществ производится  в соответствии с методикой, изложенной в [1].                                                                                                                

Таблица 3

Приземные концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на различных расстояниях от источника выбросов [2]

Загрязняющее

вещество

Класс

опаснос-ти

ПДКССмг/м3

Масса

вещества,

выбрасы-

ваемая в атмосферу

в ед. времени,

г/с

Концентрация загрязняющих

веществ в атмосферном воздухе

на различных расстояниях от

источника выбросов, мг/м3

590м

1000м

1200м

Сm

Коэффициент

мг/м3

перерасчета Si

 

 

 

 

 

Si = 0,83

Si = 0,75

Пыль

4

0,05

0,48

0,004

0,003

0,003

Азота диоксид

2

0,04

2,39

0,02

0,017

0,015

Азота оксид

3

0,06

3,18

0,027

0,022

0,021

Серы диоксид

3

0,05

5,12

0,044

0,037

0,033

Оксид

4

3

1,91

0,016

0,013

0,012

углерода

 

 

 

 

 

 

Фтороводород

2

0,005

0,03

0,0003

0,0002

0,0002

Хлороводород

д

2

0,2

1,19

0,01

0,008

0,0075

Фенол

2

0,003

1,19

0,01

0,008

0,0075

Ртуть

1

0,0003

1,59

0,014

0,012

0,011

Кадмий

1

0,0003

1,59

0,014

0,012

0,011

ПХДД и           и

1

0,1*10-9

0,5*1 0-6

0,4*10-8

0,33*10-8

0,3*10-8

ПХДФ

 

 

 

 

 

 

Данные расчета горения  мусора, смета, контейнеров во дворах жилых домов (рассмотрим случай горения отходов в обычном контейнере для мусора объемом 1 м3 с площадью выходного отверстия 0,8 х 0,8 м.) представлены в таблице 4.

 

 

 

                                                                                                    Таблица 4

Приземные концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на различных расстояниях от источника выбросов

Компонент

 

 

 

 

Кл. опаснос-ти

 

 

 

 

ПДК м.р.,

мг/м3

 

 

 

 

Масса вещества, выбрасы-ваемая в атмосферу в ед. времени, г/с

 

 

 

 

Концентрация загрязняющих веществ на различных расстояниях от источника выбросов, мг/м3

32,4м

50м

100м

Сm,

мг/м3

Коэффициент перерасчета, Si

 

 

Si = 0,76

Si = 0,45

СО

4

5

0,46

2,3

1,75

1,035

S02

3

0,5

0,12

0,6

0,46

0,27

NO

3

0,4

0,62

0,3

2,36

1,395

Аммиак

4

0,2

0,02

0,123

0,076

0,045

Формальдегид

2

0,035

0,05

0,25

0,19

0,11

HCl

2

0,2

1,78

8,9

6,76

4,005

HF

2

0,02

0,002

0,01

0,0076

0,0045

Углеводороды        по этану

 

 

0,21

1,05

0,798

0,472

Рb

1

0,0003 (ПДКс.с)

0,005

0,025

0,019

0,011

Cd

1

0,0003 (ПДКс.с)

0,24*1 0-3

1,2*1 0-3

0,9*1 0-3

0,54*1 0-3

Hg

1

0,0003 (ПДКс.с)

0,83*1 0-3

4,2* 1 0-3

3,2*1 0-3

1,9*1 0-3

Диоксины

1

0,1*10"9

102*1 0-9

0,51*1 0-6

0,388*1 0-6

0,229*1 0-6

Фураны

1

 

 

81*1 0-9

0,41*1 0-6

0,312*1 0-6

0,185*1 0-6

Полихлор

бифенилы

1

 

22*1 0-9

0,11*1 0-6

0,084*1 0-6

0,049*1 0-6

 

Учитывая, что площадки для установки контейнеров должны быть удалены от жилых домов, детских учреждений, спортивных площадок и от мест отдыха населения на расстояние не менее 20 м, максимальные концентрации загрязняющих веществ, достигаемые на расстоянии 32,4 м, будут с большой долей вероятности воздействовать на население, проживающее в данном доме, пребывающее в местах отдыха и т.д.

ПДК диоксинов и фуранов превышены в 920, 700 и 400 раз на расстояниях 32,4, 50 и 100 м соответственно.

Полученные данные  могут быть применены для характеристики опасности сжигания отходов в любом другом несанкционированном месте их накопления. При этом необходимо учесть, что в этих случаях процесс приобретает значительные масштабы во времени и в пространстве, подвергая  опасному воздействию обширные территории и людей.

Таким образом, оценивая приведенные выше данные, напрашивается вывод об экологической нецелесообразности использования мусоросжигательных заводов для утилизации ТКО, так как существующая технология вносит колоссальный  вклад в дестабилизацию окружающей среды, а попытки тщательной очистки отходящих газов от указанных ингредиентов требуют значительных затрат, дискредитируя экономическую целесообразность строительства  мусоросжигательных заводов.

В тоже время, расчеты для оценки концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе при функционировании мусороперерабатывающего завода показали следующие результаты.

Рассматривался мусороперерабатывающий завод с производственными характеристиками, приведенными в табл. 5.

Таблица 5

Технические характеристики МСЗ [2]

№ п/п

Наименование

Показатели

1

Производительность завода по переработке ТБО, тыс. м3/год

400

2

Количество биобарабанов, шт.

4

3

Среднегодовая производительность каждого биобарабана, т/год

20000

4

Удельная подача воздуха, м3/кг.

0,3

5

Температура подаваемого воздуха, К.

293

6

Температура входящих газов, К.

323

7

Высота источника выброса (Н), м.

15

8

Диаметр устья выходного отверстия (D) , м.

2

 

Объем выходящих из биобарабана газов определяется по формуле

                                            V=qKT / (Toη31536)                                (1)

где V - интенсивность выхода газов из биобарабана, м3/с.;

q - годовая производительность биобарабана, т/год.;

K- удельная подача воздуха в биобарабан, м3/кг.;

 T- температура входящих газов, К;

 To- температура поступающего в биобарабан воздуха, К;

 η - фактический коэффициент использования бибарабонов по времени (0,8).

Удельная масса выбросов на 1 т. ТБО определяется по формуле:

                                                 Ci= αi KT / To                                                               (2)

где αi – концентрация загрязняющих веществ в отходящих газах, г/м3.

Массовая концентрация выброса за единицу времени (г/с) определяется по формуле:

                                                     Mi= αi V                                           (3)

Получаются следующие числовые значения:

V =20000 *0,3*323 / (393*0,8*31536) = 0,195 м3/с;

ω0 = 0,062 м/с;

f =0,018;

 Vm= 0,475;

 m = 1,29;

 n = 0,209;

d = 5,18;

хm=77,7 м.

Таблица 6

Концентрация загрязняющих веществ в выходящих из биобарабанов газах

Вещество

Концентрация в выходящих газах г/м3

Удельная масса выброса, кг/т ТБО

Массовая концентрация, г/с

Для 1 биобарабана

Для 4 биобарабанов

Толуол

0,4

0,099

0,078

0,312

Ксилол

0,4

0,099

0,078

0,312

Углеводороды предельные

0,3

0,074

0,059

0,236

Бензол

0,16

0,039

0,031

0,124

Ацетон

0,6

0,148

0,117

0,468

Окись углерода

<0,02

0,005

0,004

0,016

 

 

Таблица 7

Максимальные приземные концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на расстоянии хm от источника выбросов

Загрязняющее

вещество

Класс опасности

ПДКСС,

мг/м3

Масса

вещества,

выбрасываемая в атмосферу

в ед. времени,

г/с

Максимальная концентрация (Сm, мг/м3) на расстоянии      хm =77,7 м

Толуол

3

0,6

0,312

0,031

Ксилол

3

0,2

0,312

0,031

Углеводороды  предельные

4

1

0,236

0,024

Бензол

2

0,1

0,124

0,012

Ацетон

4

0,35

0,468

0,047

Окись углерода

4

3

0,016

0,002

 

Полученные данные для мусороперерабатывающего завода при максимальной концентрации, которая имеет место на расстоянии 77,7 м. от производственного здания, свидетельствуют о том, что допустимые значения ПДК не превышены, то есть функционирование завода не представляет риска для здоровья населения. На рис. 1 представлена сравнительная характеристика состояния экосистемы при функционировании МСЗ и других способов утилизации ТКО [2].  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1  Сравнительная характеристика состояния экосистемы при функционировании МСЗ и других способов утилизации ТКО 

Литература

1. Тихомирова Е. Г., Ярцев В. А., Чуркина И.О., Семин Е. Г. Экологосистемный подход к оценке технологии переработки ТКО // Системный анализ в проектировании и управлении: Труды XII Междунар. науч.-практ. конф. Ч.2. СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2008. – С. 248-255.

2. Комплексная переработка твердых бытовых отходов – наиболее передовая технология: Сборник трудов / Под ред. акад. РАН Я. Б. Данилевича, проф. Е. Г. Семина. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2001. 219 с.

3. Тихомирова Е. Г., Семин Е. Г., Зенцов В. Н. Создание и содержание жилого фонда как единая система: взаимосвязь составляющих и обеспечение безопасности // Безопасность большого города / Сб. ст. под ред. Э. И. Слепяна. СПб.: Изд-во Сергея Ходова, 2007. – С. 28-55.

4.  Тихомирова Е. Г., Пегова И. С., Семин Е. Г. Селективный сбор ТКО как основа энерго- и ресурсосбережения // XXXV Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. Ч. I. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. – С. 137-139.

5. Тихомирова Е. Г., Зенцов В. Н., Семин Е. Г. Существующие подходы к определению влияния техногенной нагрузки на окружающую среду и здоровье населения // Экономика, экология  и общество России в 21-м столетии: Труды 9-й Международной научно-практической конференции. Ч. 3. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. – С. 7-15.

6. Тихомирова Е. Г., Ярцев В. А., Семин Е. Г. Раздельная сборка ТКО – основа ресурсосбережения и энергосбережения // Экономика, экология  и общество России в 21-м столетии: Труды 9-й Международной научно-практической конференции. Ч. 3. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. –  С. 75-78.