Формирование кластера золошлаковых отходов для производства строительных материалов как мера подавления очагов накопленного вреда окружающей среде

Полный текст

Введение Использование безотходной технологии в получении вторичного продукта из осадков сточных вод (ОСВ) весьма затруднительно (за исключением биогаза) [1]. Основную проблему несут тяжелые металлы и связанные с ними процессы биоалкилирования, наличие патогенной и специфической микрофлоры, способной даже после длительной стабилизации отходов на иловых площадках, полигонах, в геотубах к проявлению негативного воздействия [2]. Поэтому использование их в качестве биосубстрата для сельского хозяйства (как наиболее рационального этапа целевой утилизации осадков) невозможно для осадков сточных вод общесплавной канализации. Последнее обуславливает пути их утилизации задаваемыми критериями общепринятой практики - утилизации на полигонах, жизненный цикл эксплуатации которых становится фактором накопленного вреда окружающей среде (НВОС). Цель статьи - определение основных физико-химических и токсикологических параметров экологической безопасности золошлаковых отходов от сжигания осадков сточных вод и цивилизованных путей их утилизации в виде кластерного подхода как превентивной меры ликвидации объектов НВОС. Материалы и методы В качестве золошлакового материала была исследована зола от сжигания осадков сточных вод Северной станции аэрации Санкт-Петербурга. Компонентный состав тяжелых металлов проводился по стандартизированным методикам М-МВИ-80-2008, ПНД Ф 16.1:2.23-2000, ПНД Ф 16.3.24-2000; влажность согласно ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.58-08; сульфат-ион согласно ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.53-08; хлориды согласно ПНД Ф 16.2.2:2.3:3.28-02; зольность согласно ПНД Ф 16.2.2:2.3.29-02. Токсикологический анализ проводился на тест-объектах основных трофических звеньев водной экосистемы: водорослей Chlorella vulgaris Beijer согласно ПНД Ф Т 16.1:2:2.3:3.7-04 и ракообразных Daphnia magna Straus согласно ПНД Ф Т 16.1:2:2.3:3.9-06. Дополнительно исследовали золошлаки жженого сланца известных марок, используемые в качестве добавки в строительные смеси. На основании полученных результатов был проведен сравнительный анализ компонентного состава золошлаков различной типологии, предложены наиболее перспективные пути их утилизации. Результаты и обсуждение Кластерная принадлежность определенных видов отходов может со временем (при наличии инфраструктуры) приобрести позитивные перспективы, поскольку кластеры имеют две формы ранжирования: по региональному и по производственному признакам [3]. Наиболее вероятным, учитывая современные реалии получения целевого продукта, если и не конкурентным, то хотя бы имеющим потенциал для дальнейшей рыночной конвертации, является сжигание осадков сточных вод и твердых бытовых отходов (ТБО) для получения золошлаков, используемых в качестве добавки в стройматериалах. Применительно к Санкт-Петербургу (и городам, в которых уже функционируют заводы по сжиганию отходов) такой подход может быть логичным как для регионального, так и для отраслевого вида кластера. Необходимо пояснить, что выбор именно этой технологии утилизации как единственно приемлемой в настоящее время продиктован отсутствием предварительной локальной очистки стоков на предприятиях и объемом самих осадков, характерным для мегаполисов. В других случаях, когда в технологии не предусматриваются наличие или образование токсичных поллютантов в составе стоков и, соответственно, их аккумуляция в твердой фазе осадков, наиболее эффективным будет использование иловых площадок именно для обработки осадков, применяемых в сельском хозяйстве. Выбор технологии утилизации рано или поздно придется сделать. Это будет или относительно дешевый метод почвенного депонирования и все сопряженные с ним экологические риски, или экономически емкие, но, возможно, более перспективные с точки зрения социоэкологического климата термические методы утилизации. Безусловно, выбирая второй вариант, следует тщательным образом проанализировать наиболее уязвимые точки этого решения. Термическая обработка отходов является многообещающей технологией как с экологической, так и с экономической точек зрения. Тем не менее возникают серьезные проблемы, когда различные типы отходов с различными свойствами (содержание влаги, теплота горения и т.д.) утилизируют в едином процессе [4]. Поэтому одной из первоочередных задач данного направления является определение наиболее эффективной технологии термической переработки (табл. 1) [5]. Таблица 1 Сравнительная характеристика работы печей при огневом обезвреживании отходов Печь Темпе* ратура отхо* дящих газов, оС Удельная нагрузка рабочего объема по уничто* жаемому до ПДК веществу, кг/(м3*час) Коэф* фициент избытка воздуха Коэф* фициент неравно* мерности пребы* вания в зоне горения Недостатки Многоподовая 310-520 200-400 1,08-1,2 1 Загрязнение газов органическими продуктами от свежих порций ОСВ в верхней части печи; низкие удельные тепловые нагрузки; вращающиеся элементы в высокотемпературной зоне; использование дорогостоящих материалов для полого вала и скребковых мешалок; высокие капитальные и эксплуатационные затраты Камерная 650-900 250 1,08-1,2 1 Низкие весовые нагрузки; громоздкость; высокая металлоемкость; повышенные требования к коррозионной устойчивости материала колосниковой решетки и механизации топочных устройств; большие капитальные затраты Барабанная 650-1000 10-80 1,1-1,6 Возможно 1 Самая низкая удельная тепловая и весовая нагрузки топочного объема; разрушение футеровки, быстрый выход печи из строя из-за резкой смены температуры при вращении печи и эрозии; высокие капитальные и эксплуатационные затраты Распылительная 650-850 80-100 1,1-1,8 1 Низкая производительность; сложность в эксплуатации; высокие капитальные затраты Циклонная 1200 600-850 1,04-1,6 Возможно 1 Необходимость установки мощных пылеулавливающих устройств и дополнительного оборудования для выгрузки С псевдоожиженным слоем 600-850 300-800 1,04-1,3 При подаче на слой 1 Неравномерность распределения и времени пребывания в слое частиц твердой фазы; необходимость пылеулавливания Comparative characteristics of the operation of furnaces for fire neutralize of waste Table 1 Furnace Exhaust gas tempe* rature оС Specific load of the working volume on the substance destroyed to the maximum permissible concentra* tions (MPC) kg/(м3*H) Air excess factor The coef* ficient of irregularity of stay in the com* bustion zone Disadvantages Multiple hearth 310-520 200-400 1.08-1.2 1 Pollution of gases with organic products from fresh portions of sewage sludge in the upper part of the furnace; low specific heat loads; rotating elements in the high-temperature zone; the use of expensive materials for the hollow shaft and scraper agitators; high capital and operating costs Chamber 650-900 250 1.08-1.2 1 Low weight load; bulkiness; high metal content; high demands to corrosion resistance of the material to the grate and mechanization combustion equipment; large capital expenditures Drum 650-1000 10-80 1.1-1.6 Possible 1 The lowest specific heat and weight load of the furnace volume; the destruction of the lining, the rapid failure of the furnace due to a sharp change in temperature during the rotation of the furnace and erosion; high capital and operating costs Spray 650-850 80-100 1.1-1.8 1 Low productivity; complexity in operation; high capital costs Cyclonic 1200 600-850 1.04-1.6 1 The need to install powerful dust - trapping devices and additional equipment for unloading Fluidized bed 600-850 300-800 1.04-1.3 When applying to layer 1 Uneven distribution and residence time in the layer of solid phase particles; the need for dust collection Процессы инсинерации отходов ТБО и ОСВ достаточно хорошо изучены, и технологии на их основе уже порядка 40 лет применяются на Западе [10]. SWOT-анализ термических методов утилизации отходов показал, что пиролиз с сжиганием и газификацией отходов представляется наиболее оптимальной формой их термохимической обработки [11]. При этом пиролиз осадка сточных вод обеспечивает экономию энергии и минимизацию количества золошлаковых отходов после сжигания. Изменение характеристик отходов с целью увеличения его нижнего предела тепла горения зависит от многих факторов: удаления стекла, металлов и других инертных материалов. Ввиду того, что отходы ТБО являются поликомпонентными, увеличивается экономическое обременение на подготовку отходов в качестве альтернативного топлива, включающую целый ряд технологических процессов. В табл. 2 приведены сравнительные характеристики технологий и аппаратов термической обработки отходов. Следует отметить, что авторы многих публикаций единогласно отдают приоритет печам с псевдоожиженным слоем из-за высокой эффективности сгорания, компактности, относительно низких затрат на эксплуатационные расходы и простоты обслуживания. Однако в любом случае выбор наиболее приемлемых технологических решений остается за конкретным заказчиком. Успешным примером использования метода пиролиза осадков сточных вод) является ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», применяющее данный метод, разработанный фирмой BAMAG GmbH (Германия), с начала 2000-х гг. Сравнительный анализ компонентного состава золошлаковых отходов, перспективных для использования в качестве добавки в строительные материалы, показал широкий диапазон тяжелых металлов, имеющих следующий ряд: зола ТБО > зола осадков сточных вод > зола от жженого сланца (табл. 2). Сравнительный анализ компонентного состава золошлаковых отходов для использования в качестве добавки к строительным материалам Таблица 2 Наименования показателя Камк1 Золест оил2 Золест бет3 Зола ССА4 Зола ТБО [6]5 Зола ТБО [7]6 Зола ТБО [8]7 Зола ТБО [9]8 Концентрация, мг/кг Никель (валовая форма) 13,0 16,0 22,0 51 95-240 10-1970 60,8 124 Кобальт (валовая форма) 4,4 4,8 5,5 8,3 23-69 2,3-1671 - - Медь (валовая форма) 6,5 7,0 12,0 640 860- 1400 187- 2381 313 1300 Марганец (валовая форма) 320,0 310,0 600,0 1400 0,8-1,7 171-8500 - 1600 Хром (валовая форма) 15,0 25,0 17,0 78 140-530 21-1901 118 863 Свинец (валовая форма) 39,0 42,0 31,0 52 7400- 19000 200- 2600 1496 10900 Кадмий (валовая форма) 0,37 0,24 0,30 11 250-450 5-2211 25,5 470 Мышьяк (валовая форма) 12,0 14,0 12,0 - 3195 15-751 - 93 Цинк (валовая форма) 99,0 61,0 83,0 850 19000- 41000 2800- 152000 1386 25800 Ртуть 0,089 0,10 0,10 0,05 0,8-7 0,9-73 52 - Алюминий 27200 37300 37300 36000 - - - - Железо 13900 32600 32600 35000 - - - - Магний 12500 32500 32500 7100 - - - - Калий 37500 38000 38000 6300 - - - - Натрий 800,0 700,0 700,0 1900 - - - - Кальций 180000 355000 355000 36000 - - - - Бенз(а)пирен 0,0054 0,072 0,072 - - - - - Сульфат-ион 6400 4500 4500 3500 - - - - Хлориды 27200 19200 19200 - - - - - Кремний диоксид 28000 310000 19000 740000 - - - Примечание: 1, 2, 3 - зола сожженного сланца; 4 - зола от сжигания осадков сточных вод; 5, 6, 7, 8 - зола от сжигания ТБО; ССА - Северная станция аэрации (ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»). Comparative analysis of the component composition of ash and slag waste for use as an additive to building materials Table 2 Indicator Kamk1 Zolest oil2 Zolest bet3 Ash NWTP4 Ash MS [6]5 Ash MS [7]6 Ash MS [8]7 Ash MS [9]8 Concentration, mg/kg Nickel (gross form) 13.0 16.0 22.0 51 95-240 10-1970 60.8 124 Cobalt (gross form) 4.4 4.8 5.5 8.3 23-69 2.3-1671 - - Copper (gross form) 6.5 7.0 12.0 640 860-1400 187-2381 313 1300 Manganese (gross form) 320.0 310.0 600.0 1400 0.8-1.7 171-8500 - 1600 Chrome(gross form) 15.0 25.0 17.0 78 140-530 21-1901 118 863 Lead (gross form) 39.0 42.0 31.0 52 7400- 19000 200- 2600 1496 10900 Cadmium (gross form) 0.37 0.24 0.30 11 250-450 5-2211 25.5 470 Arsenic (gross form) 12.0 14.0 12.0 - 3195 15-751 - 93 Zinc (gross form) 99.0 61.0 83.0 850 19000- 41000 2800- 152000 1386 25800 Mercury 0.089 0.10 0.10 0.05 0.8-7 0.9-73 52 - Aluminum 27200 37300 37300 36000 - - - - Iron 13900 32600 32600 35000 - - - - Magnesium 12500 32500 32500 7100 - - - - Potassium 37500 38000 38000 6300 - - - - Sodium 800.0 700.0 700.0 1900 - - - - Calcium 180000 355000 355000 36000 - - - - Benz(a)pyrene 0.0054 0.072 0.072 - - - - - Sulfate 6400 4500 4500 3500 - - - - Chlorides 27200 19200 19200 - - - - - Silicon dioxide 28000 310000 19000 740000 - - - Note: 1, 2, 3 - ash of shale; 4 - ash from the incineration of sewage sludge; 5, 6, 7, 8 - ash from the incineration of municipal sludge (MS); NWTP - Northern wastewater treatment plant (SUE “Vodokanal of Saint Petersburg”). Токсикологическое исследование золы от сжигания осадков сточных вод Таблица 3 Условия приготовления водной вытяжки Тест*объект Кратность разбавления (Кр) Класс опас* ности Л, % D, % Критерий токсич* ности 10 см3/1,0 г; продолжительность наблюдения - 48 ч.; T 20,5 °C; рН кон. - 7,80 Daphnia magna Straus (3 поколение, возраст молоди 6-24 ч.) Кр = 1 V 13,3 - Л > 10 T 20,6 °C; рН кон. - 7,63 1 < Кр ≤ 100 IV 6,7 - T 20,6 °C; рН кон. - 7,45 100 < Кр ≤ 1000 III 3,3 - 10 см3/1,0 г; продолжительность наблюдения - 22 ч.; T 20,5 °C; рН кон. - 7,80 Chlorella vulgaris beijer Кр = 1 V - 52,3 -20 < D > 30 T 20,6 °C; рН кон. - 7,63 1 < Кр ≤ 100 IV - 15,8 T 20,6 °C; рН кон. - 7,45 100 < Кр ≤ 1000 III - 6,5 Toxicological study of ash sewage sludge incineration Table 3 Conditions of preparation of water extract Test object Dilution ratio (DR) Hazard class L, % D, % Toxicity criterion 10 cm3/1.0 g; duration of observation - 48 h; T 20.5 °C ; pH - 7.80 Daphnia magna Straus (3 generation, age of juveniles 6-24 h) DR = 1 V 13.3 - L > 10 T 20.6 °C; pH - 7.63 1 < DR ≤ 100 IV 6.7 - T 20.6 °C; pH - 7.45 100 < DR ≤ 1000 III 3.3 - 10 cm3/1.0 g; duration of observation - 22 h; T 20.5 °C ; pH - 7,80 Chlorella vulgaris beijer DR = 1 V - 52.3 -20 < D > 30 T 20.6 °C; pH - 7,63 1 < DR ≤ 100 IV - 15.8 T 20.6 °C; pH - 7,45 100 < DR ≤ 1000 III - 6.5 Исследования токсикологической опасности золы от сжигания отходов позволяют отнести золошлаки от осадков сточных вод к V классу опасности (табл. 3). Это дает возможность использовать золошлаки из осадков сточных вод для получения целевого продукта при условии минимизации выщелачивания тяжелых металлов из его фракционного состава, например в композиции с вяжущими материалами. Примером полезного использования золы от сжигания осадков сточных вод в качестве вторичного ресурса служит ряд патентных заявок и научных публикаций, например «Способ получения композиционных материалов для дорожно-транспортного строительства на основе переработанных осадков сточных вод предприятий коммунального хозяйства» [12]. Наряду с позитивной практикой использования золошлаков многие исследователи отмечают как конкурентные преимущества продукции на их основе, так и приемлемые экологотоксикологические показатели при их использовании. Бетон, полученный с внесением в общий состав 10 % золы биомассы, имел более высокие значения прочности на сжатие для эталонного состава [13]. Полученные элюаты исследовали по компонентному составу и агрессивности среды: рН, тяжелые металлы (19 металлов), растворенный органический углерод, хлориды, соединения фенола, соединения и полные растворенные твердые вещества, и далее проводили токсикологическую оценку на различных биотестах. Для элюатов морской воды (при использовании материала в железобетонных конструкциях в условиях повышенной солености) оценивали ингибирование биолюминесценции бактерии Vibrio fischeri, микроводорослей Phaedactilum tricornutum, ингибирование подвижности микрокруацеата Artemia franciscana, а для пресноводных элюатов - ингибирование подвижности Daphnia magna, Pseudokirchneriella subcapitata. Уровни выщелачивания химических веществ в условиях морских и пресноводных водоемов были аналогичны с эталонными образцами. Учитывая различие в компонентных составах золошлаковых отходов, наиболее перспективными с точки зрения экологической безопасности представляются исследования по получению бетона, в процессе производства которого соединения тяжелых металлов встраиваются в силикатную и алюмосиликатную структуру исходных материалов (глины и шламы) при температуре 1110 оС [14]. Матричная структура материала с использованием осадков сточных вод представлена на рис. 1 [14]. Стекловидная матрица [Vitreous matrix] Твердая частица [Solid particle] Матричная мостиковая перемычка [Matrix bridge jumper]] Пора [Pore] Риc. 1. Матричная структура материала с использованием осадков сточных вод [Figure 1. Matrix structure of the material using sewage sludge] Однако даже при наличии перечня перспективных технологий, имеющих высокий потенциал завоевания рынка продукции из вторичного сырья, действия, направленные на консолидацию усилий по формированию кластера, не будут иметь желаемого эффекта без участия государственного субсидирования и/или законотворческой поддержки. На сегодняшний день актуальность такого кластера сложно переоценить. Тем не менее исследование кластеров, локализированных в Санкт-Петербурге и развиваемых в рамках федеральных и региональных целевых программ [15] (к ним относятся и промышленные кластеры, табл. 4), показало отсутствие данного кластера как такового. Кластерная структура Санкт*Петербурга и регионов Таблица 4 Кластеры, локализированные на территории Санкт*Петербурга Кластеры, не локализированные в регионе, но развиваемые государством С государст венной поддержкой Без государст венной поддержки Аналитические инструменты; информационные технологии; освещение и электрооборудование; биофармацевтика; медицинские инструменты; пластмассы; ювелирные изделия; производство и передача энергии; транспорт и логистика Наука и образование; торговля; бизнес услуги; туризм Строительство; тяжелое машиностроение; металлургическая промышленность; аэрокосмическая техника; автомобилестроение; одежда, обувь, текстиль; телекоммуникации Cluster structure of Saint*Petersburg and regions Table 4 Clusters localized in the Saint*Petersburg territory Clusters, not localized in the region, but developed by the state With state support Without state support Analytical tool; information technology; lighting and electrical equipment; biopharmaceutics; medical instrument; plastics; jewelry; energy production and transmission; transport and logistics Science and education; trade; business services; tourism Building; heavy machinery; metallurgy; aerospace; automotive; clothing, footwear, textiles; telecommunications Вероятно, это связано с тем, что некоторые исследователи в процессе кластеризации отрасли рассматривают экономическую составляющую как более важную в сравнении с экологической [16]. Однако c этим тезисом нельзя согласиться. Определяющим фактором здесь будет являться степень заинтересованности прежде всего государственной власти в продвижении политики безотходного производства, что, в свою очередь, может служить популяризацией философии zero waste, имеющей в своем корне именно нравственную компоненту как более значимую [17], но в то же время не отвергающую сложный путь экономической стороны. При отсутствии экономической составляющей (финансовой выгоды) для всех участников такого бизнес-проекта, в первую очередь для производителя и потребителя, экологический фактор неминуемо отразится на административной политике управления городским хозяйством. Вопрос в этом случае всегда будет решаться не как утилизировать, а где, что еще больше обострит проблемы территориального планирования и социализации городской среды. Но учитывая темпы урбанизации пригородных территорий, появление на них объектов для размещения опасных отходов надолго стагнирует развитие данной территориально-экономической единицы. Именно поэтому государственная структура должна объединить операторов кластера: поставщика вторичного ресурса из отходов (золы от сжигания, используемой в качестве сырья для стройматериалов) и производителя стройматериалов, оказать им поддержку в формировании долгосрочной перспективы, гарантировать инвестиции. В данном случае госструктура должна выполнять функции гаранта этих взаимоотношений, условием которых должна стать договоренность об использовании вторичного ресурса в технологии производителя. Схема подобного взаимодействия представлена на рис. 2. Рис. 2. Формирования кластерного подхода совместной утилизации осадков сточных вод и твердых бытовых отходов [Figure 2. Formation of cluster approach for joint utilization of sewage sludge and municipal waste] Экономические инструменты при создании такого кластера или составной части единого кластера отходов используются для достижения трех основных целей: · устойчивого развития государственной экологической стратегии; · покрытия расходов на утилизацию отходов; · получения прибыли. Первые две позиции достаточно понятны, вопрос остается за получением прибыли. Затраты на инфраструктуру редко покрываются местными властями. Инвестиционные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, таким образом, окажутся обременительными для операторов отходов. Относительно несложно найти инвесторов для инфраструктуры, но зачастую невозможно найти желающих принять участие в покрытии расходов на эксплуатацию и техническое обслуживание. И здесь вовлеченность государственных структур будет играть решающую роль, используя экономические инструменты поддержки в становлении данного кластера. Экономическим инструментом может стать разработка национальной программы субсидирования по примеру Индии (введена в 2009 г. и реализована на основе системы бенчмаркинга) [18]. Сюда же можно отнести налоговые льготы, субсидирование или акционирование предприятий кластера, закрепление кластерной политики (например, законодательно закрепленная обязанность использования только наилучших доступных технология (НДТ) в области обращения с отходами на предприятиях водоканала и операторов ТБО), региональная поддержка коммунальных служб раздельного сбора ТБО и т.д. Несомненно, бенефициаром в конечном итоге при формировании данного кластера будет являться социально-экономический сектор государства. Последнее не лишает выгоды остальных участников кластера - систему ЖКХ в целом (отсутствие объектов депонирования отходов) и бизнес-структуры (государственная поддержка, налоговые льготы). Выводы Необходимость формирования кластера неутилизируемых отходов сточных вод совместно с отходами ТБО путем совместной инсинерации является перспективным направлением для реализации общей государственной политики по предупреждению и ликвидации объектов НВОС, имеющей перспективы позитивного социально-экономического развития.

Об авторах

Андрей Михайлович Дрегуло

Санкт-Петербургский государственный университет; Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН; Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.dregulo@spbu.ru

кандидат биологических наук, Институт наук о Земле, cтарший научный сотрудник лаборатории геоэкологических проблем природно-хозяйственных систем и урбанизированных территорий

Российская Федерация, Санкт-Петербург

Виктор Михайлович Питулько

Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН

Email: pitulko@rambler.ru

доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, заместитель директора по научной работе

Российская Федерация, Санкт-Петербург

Список литературы