Введение
В процессепроизводства образуется большое количество отходов, которые при соответствующейобработке могут быть вновь использованы как сырье для производства промышленнойпродукции. В будущем большая доля потребностей в сырье будет восполнятьсяпродуктами переработки отходов промышленного производства.
Все, видыпромышленных отходов делятся на твердые и жидкие. К твердым отходам относятсяотходы металлов, дерева, пластмасс и других материалов, пыли минерального иорганического происхождения от очистных сооружений в системах очистки газовыхвыбросов промышленных предприятий, а также промышленный мусор, состоящий изразличных органических и минеральных веществ: резины, бумаги, тканей, пескi1, шлака и т. п. К жидким отходам относятся осадки сточных вод после ихобработки, а также шламы пылей минерального и органического происхождения всистемах мокрой очистки газов.
Для полногоиспользования отходов в качестве вторичного сырья разработана их промышленнаяклассификация.
Разработкамероприятий по обезвреживанию и переработке неутилизируемых промышленныхотходов привела к необходимости дополнительной классификации их погигиеническому и технологическому принципам. Классификация по гигиеническомупринципу подразделяет промышленные отходы на 6 категорий, которые приведены втаблице 1.
Критериемопределения целесообразности переработки отходов в местах их образования являетсяколичество и степень использования отходов в производстве. При термическойобработке отходов пластмасс расходуется большое количество кислорода ивыделяется много высокотоксичных продуктов (углеводороды, хлористый водород идр.).
Таблица 1-Классификация отходов
/>
Наиболеерациональным методом ликвидации пластмассовых отходов служит высокомолекулярныйнагрев без доступа воздуха (пиролиз).
Основныминаправлениями ликвидации и переработки твердых промышленных отходов (кромеметаллоотходов) являются вывоз и захоронение на полигонах, сжигание,складирование и хранение на территории промышленного предприятия до появленияновой технологии переработки их в полезные продукты (сырье).
1. Переработка твердых промышленных отходов
Обработкуцелесообразно проводить в местах образования отходов, что сокращает затраты напогрузочно-разгрузочные работы, снижает безвозвратные потери при их перевалке итранспортировке и высвобождает транспортные средства. На большинстве химическихпредприятий отходы входят в состав промышленного мусора предприятий, при этомразделение мусора на отдельные его компоненты оказывается экономическинецелесообразным. В настоящее время разработаны и внедрены в промышленном масштабетехнологии обработки, утилизации и ликвидации промышленного мусора.Качественный и количественный состав промышленного мусора любого предприятияпримерно стабилен в течение года, поэтому технология переработки мусораразрабатывается применительно к конкретному предприятию и определяется составоми количеством промышленного мусора, образующегося на территории.
Например, вЗапорожье разработана система переработки промышленного мусора в строительныематериалы и комбинированные удобрения. Зола становится основным материалом дляизготовления искусственного гравия, из которого создаются стеновые панели инесущие конструкции жилых и производственных зданий.
В ФРГразработан способ безотходной переработки отходов в электродуговой печи. Привысокой температуре (1500—1700С) в печи минеральная часть (силикаты и металл)плавится и разделяется на металл и шлак. В результате переработки 1 т отходовобразуется около 140 кг феррометалла.
Переработкутвердых бытовых и промышленных отходов в Москве, Санкт-Петербурге и Ереванепроизводят на специальных заводах. В промышленной зоне Бирюлево (Москва)работает завод для сжигания более 2 млн. м3 в год твердых отходов. ВСанкт-Петербурге работает завод по обезвреживанию и переработке 400 тыс. м3в год твердых отходов, который вырабатывает в год тыс. т сельскохозяйственногокомпоста широко используемого в теплицах.
Захоронениеотходов — должно проводиться в специально отведенных местах по согласованию сорганами государственного санитарного надзора. Пункт захоронения отходовнеобходимо располагать на незатопляемой территории с низким уровнем грунтовыхвод, с наличием водоупорного глинистого слоя. Расстояние от места захороненияотходов до населенных мест и открытых водоемов рыбохозяйственного назначенияустанавливается в каждом конкретном случае по согласованию с органамигосударственного санитарного надзора.
2. Переработка твердых коммунальных отходов
В настоящеевремя весь мир и, в частности, наша страна находится в стадии стремительногороста городов. Применительно к России урбанизация проходит на фонезначительного расслоения населения и массовой миграции сельского населения вкрупные города. Рост населения городов сопровождается резким увеличением количествабытовых отходов. Стабилизация экономической ситуации в стране также ведет кросту потребления и соответственно увеличению количества твердых коммунальных отходов(ТКО). Таким образом, всегда существовавшая проблема ТКО становится сегодня ещеболее актуальной. Основным способом переработки ТКО является биотехнологическиепроцессы и сжигание. К сожалению, отсутствие достаточного количествасовременных биотехнологических производств приводит к тому, что основная массаотходов захоранивается на полигонах или сжигается. Сгорание органической частиутверждениям сторонников метода, не сокращает, а увеличивает их массу (на 1 кг углерода расходуется более 2,5 кг кислорода) и переводит в газообразное состояние; при этомобразуется токсичная и супертоксичные диоксины. Происходит потеря органическихвеществ, которые можно переработать в удобрения и использовать для озеленения исельского хозяйства. Очевидно, что самым экологически и экономическиперспективным является биотехнологический способ переработки, при которомобеззараживание ТКО происходит без затрат энергоносителей (за счет активноститермофильных микроорганизмов), а органические компоненты перерабатываются вкомпост.
2.1 Материалы и методы переработки ТКО
Экспериментыпроводились на базе предприятия «Опытный завод механизированной переработкибытовых отходов» (ОЗ МПВО) с использованием штатного оборудования. Дляприготовления и внесения в ТКО растворов питательных веществ была разработана иизготовлена специальная установка. Измерения температуры ТКО в биобарабанапроводили пирометром с учетом поправки (корректировалась раз в смену),температуру компоста в буртах на глубине 0,5 м — максимальным термометром, физико-химические параметры компоста — по стандартным методикам.
Еслирассмотреть процесс механизированного компостирования с точки зрения кинетикироста микроорганизмов, то становится ясным, что при компостировании отходов —периодическом культивировании микроорганизмов, содержащихся в исходных ТКО —питательной средой выступает органическая часть отходов.
Обычно все 4фазы протекают в одном реакторе. На заводе МПВО эти стадии разделены. Лаг-фазаи фаза экспоненциального роста, а также часть стационарной фазы протекает вбиобарабане. По сути дела лаг-фаза и фаза экспоненциального роста — это выходпроцесса на температурный режим, а собственно санация ТКО протекает в началестационарной фазы. Разумеется, это относится лишь к доминирующей на конечномэтапе биотермической санации, целевой группе микроорганизмов — термофилам.Микроорганизмы мезофильной группы, которые доминируют на начальном этапе,обеспечивают разогрев массы ТКО до температур, когда в дело вступают термофилы,в дальнейшем и гибнут в биобарабане. Роль мезофиллов и скорость выхода процессана температурный режим различны в зависимости от исходной температуры ТКО. Вплане отметить, что мезофиллы не успевают перейти в стационарную фазу роста —при повышении температуры они сразу переходят в фазу лизиса. Численностьмикроорганизмов сильно зависит от условий в биореакторе, которые неодинаковы поего длине. В таблице 2 приведено количество микроорганизмов в различныхучастках биореактора.
Таблица 2
/>
В условияхрезкого снижения интенсивности перемешивания и аэрации микроорганизмыпродолжают разрушать остаточные органические субстраты и поддерживатьтемпературу компоста. Эта стадия называется «дозревание». По мере исчерпаниязапасов веществ микроорганизмы переходят в фазу лизиса, что сопровождаетсяостыванием компоста. Процесс продолжается от 8 месяцев до 1,5 лет. В течениеэтого времени завершаются процессы разложения органических веществ, происходитпадение температуры до 300 С и ниже. Микробное число снижается с9*1010 до 4*107, рН стабилизируется на уровне 8,13-8,17.По завершении стадии дозревания количество микроорганизмов падает истабилизируется к моменту остывания компоста на уровне 107, всоответствии с таблице 3
Таблица 3 –Изменение микробиологических показателей компоста при дозревании в штабелях
/>
Ввиду многообразиямикроорганизмов на начальном этапе процесса и смене микробных сообществ по мереего протекания некорректно использовать содержание микроорганизмов того илииного вида (или ОМЧ) в качестве параметра, по которому можно судить о кинетикепроцесса. Более универсальным параметром, отражающим интенсивность протеканиямикробиологических процессов, является температура компостируемого субстрата.График ее изменения повторяет, разумеется, с некоторым временным сдвигом,кривую роста микроорганизмов. Поэтому в качестве основного контрольногопараметра мы использовали температуру компоста.
Исследователи даннойпроблемы пришли к выводу, что соотношение углерод/азот/фосфор нужно довести до20/5/1 на всю массу отходов и то, что делать это нужно с помощью другихотходов, главным образом, навоза или илового осадка станций аэрации. Второйстереотип — для активации нужно вносить извне микроорганизмы деструкторы(классические дозировки — 106 к.о.е. на г (см3) или 5—15% от объемаинокулируемой среды). Разработанная на основе стереотипного подхода технологияускорения компостирования ТКО [1, 2], несмотря на хорошие результаты, так и небыла внедрена в производство по экономическим соображениям.
Но, главным препятствиемдля роста микроорганизмов, которые в изобилии содержатся в ТКО, является низкаярастворимость питательных веществ субстрата. Этим и объясняется длительнаялаг-фаза процесса и низкая физиологическая активность микрофлоры мусора,которая и является движущей силой процесса разогрева отходов. Предполагаетсяследующее:
— необходимо вносить вкачестве активаторов только самые доступные источники питания (сахара ибелковые гидролизаты) в виде водных растворов, что позволит до минимумасократить лаг-фазу процесса;
— количество питательныхвеществ должно быть эквивалентно тому количеству, которое будет затрачено наприготовление инокулюма, исходя из классических дозировок — 1*106 к.о.е./см3.
Следуя логике, дляэкспериментов следовало бы взять стандартный состав среды для определения ОМЧ,но было создано два варианта среды:
первая — смесь сусла спептоном и сахарозой (наиболее легкодоступные источники питания), второйвариант представлял собой стереотипную питательную среду (углерод/азот/фосфор =20/5/1) на основе сахарозы и минеральных удобрений; в состав среды был такжевключен в качестве активатора лигногумат. Состав сред на одну загрузкубиобарабана (300 тонн ТКО):
/>
Однако физиологическаяактивность исходной микрофлоры низка, а ее количество мало, поэтому процесспереходит в экспоненциальную фазу лишь через 8 ч после разогрева до оптимальныхтемператур. В случае активатора, созданного на основе сусла и пептона, процессначинается сразу после искусственного разогрева.
Физико-химическимихарактеристики представлены в таблице 4.
При дозревании в штабеляхпоказали, что добавки, как и предполагалось, влияют лишь на интенсивностьпротекания процессов. Особенности изменения температуры, рН и органическоговещества одинаковы для обеих добавок и контроля, однако скорость протеканияразлична. Полученные результаты позволяют говорить о том, что внесениеактиваторов сокращает время созревания компоста в буртах в 2 раза, а срокипребывания ТКС в биобарабане (за счет сокращения времени выхода натемпературный режим) — на 20—38%.
Таблица 4
/>
Заключение
1. При поиске способовоптимизации биотехнологических процессов следует избегать стереотипов ирассматривать протекание процесса с точки зрения фундаментальных основбиотехнологии.
2. Лимитирующей стадиейпроцесса биотехнологической переработки твердых коммунальных отходов фазаадаптации к источникам питания. Эта стадия процесса является лимитирующейдругих процессов деструкции трудно растворимых веществ, а, следовательно, методпредложенный может быть использован и при активации других биотехнологическихпроцессов.
3. Внедрение методапозволило без капиталовложений увеличить производительность предприятия на 20%.
Переченьссылок
1. Лекционный материал
2. Синтетическиехимико-фармацевтические препараты. / М.В. Рубцов, А.Г. Байчиков. — М.: Химия,1971.-304с.
3. Вредные вещества в промышленности.Справочник для химиков, инженеров и врачей. Том II. Органические вещества. / Под ред. Н.В. Лазарева и Э.Н.Левиной. — Л.: Химия, 1976.-624с.
4. Вредные вещества в промышленности.Справочник для химиков, инженеров и врачей. Том II. Органические вещества. / Под ред. Н.В. Лазарева и Э.Н.Левиной. — Л.: Химия, 1976.-592с.
5. Методическое пособие длясамостоятельной работы по «Безопасности жизнедеятельности» для студентов биотехнологическогофакультета. / Г.Л. Алексеева, Л.П. Лазурина. — Курск, КГМУ, 2004. – 89 с.
6. Пожарная безопасность веществ и материалов, применяемых в химическойпромышленности. Справочник. / Под редакцией И.П. Рябова. — М.: Химия,1970.-336с.