Производственная и бытовая деятельность человека неминуемо связана с образованием отходов. Поэтому проблема обращения с твердыми бытовыми отходами является актуальной и весьма значимой, так как в современном мире с каждым годом растет количество ТБО.
При захоронении в составе отходов биодеградируемых компонентов полигоны функционируют как большие, трудно управляемые биохимические реакторы, в которых происходят процессы трансформации органических веществ с выделением газообразных и жидких продуктов их метаболизма (компонентов биогаза и загрязняющих веществ фильтрата), что создает опасность загрязнения окружающей среды и ухудшает санитарные условия жизни населения.
Цель исследования – рассмотреть возможность применения шлака металлургического завода, получаемого при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом, в качестве изолирующего грунта для пересыпки твердых бытовых отходов (ТБО).
Основными видами антропогенного воздействия полигона на окружающую среду являются [9]:
● Выброс биогаза с участка депонирования ТБО.
● Привнос в атмосферный воздух газообразных веществ от технологических машин, которые обслуживают полигон.
● Выделение в поверхностные воды свалочного фильтрата, отводимого от тела полигона, промливневых и хозбытовых сточных вод от хозяйственной зоны полигона.
● Изъятие земельных ресурсов и загрязнение почв.
● Эпидемиологическая опасность. Полигон ТБО является потенциальным (при отсутствии специальных защитных мероприятий) источником бактериологического заражения местности. Перенос болезнетворных микроорганизмов может происходить через загрязненые стоки полигона; разнос легких фракций отходов (ветром с рабочих карт или с подъезжающих мусоровозов); птиц, насекомых; грызунов.
● При воспламенении в теле свалки помимо оксида углерода угарного газа, образуются высокотоксичные продукты распада.
Общепринятый порядок складирования отходов на рабочей карте состоит из следующих этапов [8]:
1. Из мусоровоза выгружается ТБО непосредственно на рабочем теле полигона перед рабочей картой.
2. Отходы разравниваются и формируются в слой высотой 0,3–0,5 м (методом надвига или сталкивания).
3. Производят уплотнение слоя катком и формируют 12–20 таких слоев, вследствие чего образуется вал с пологим откосом высотой не более 2 м над уровнем площадки разгрузки мусоровозов.
4. Уплотненный слой ТБО изолируется слоем пересыпного изоляционного материала 0,25 м (при обеспечении уплотнения в 3,5 раза и более допускается изолирующий слой толщиной 0,15). Промежуточная изоляция в теплое время года осуществляется ежесуточно, в холодное время года – с интервалом не более трех суток.
Далее все повторяется вновь до заполнения рабочей карты. После закрытия одной рабочей карты переходят к другой.
Для исключения неблагоприятного воздействия полигона ТБО на окружающую среду предусматривается ряд инженерных сооружений и мероприятий. Одним из таких мероприятий является промежуточная изоляция уплотненного слоя ТБО пересыпным материалом.
Материал для пересыпки ТБО должен:
1. Быть инертным по отношению к ТБО [9].
2. Надежно изолировать ТБО от контакта с насекомыми [9].
3. Препятствовать доступу птиц и грызунов к отходам [9].
4. Быть неудобным для устройства лазеек и нор [9].
5. Быть проницаемым для образующихся при разложении отходов газов [9].
6. Препятствовать появлению запахов от разложения отходов (обладать сорбционными свойствами) [9].
7. Сводить к минимуму проникновение влаги в рабочее тело полигона [9].
8. Хорошо уплотняться [1].
Ни один из видов почвы или промышленных отходов в полной мере не отвечает всем этим требованиям.
Из нормативно-технической литературы и научных разработок зарубежных и российских ученых известно, что существуют следующие способы изоляции ТБО:
1. В зимний период в качестве изолирующего материала разрешается использовать строительные отходы, отходы производства – отходы извести, мела, соды, гипса, графита и т.д. [1].
2. Отсортированный свалочный грунт [2].
Также в качестве материала для пересыпки ТБО можно применить промышленные отходы (ПО) IV класса опасности, которые удовлетворяют следующим требованиям:
1. Содержание в водной вытяжке (1 л воды на 1 кг отходов) токсичных веществ в ПО на уровне фильтрата из твердых бытовых отходов.
2. Биохимическая потребность в кислороде (БПК20) и химическая потребность в кислороде (ХПК) – не выше 300 мг/л.
3. Должны иметь однородную структуру с размером фракций менее 250 мм.
Для выбора промышленного отхода, который можно использовать в качестве пересыпного материала, были проанализированы крупнотоннажные малотоксичные твердые отходы нескольких предприятий Пермского края. Выбор был остановлен на отходах, образующихся при производстве феррованадия одного из металлургических заводов, расположенного в Пермском крае.
Производство феррованадия ведут силикоалюминотермическим методом. Шихтовыми материалами для производства феррованадия являются: гранулированная пятиокись ванадия, (дробленый 10–30 мм) ФС75, алюминий в гранулах менее 30 мм, металлоотсев – отходы, полученные при сепарации конвертерного шлака, стальная обрезь и известь.
Производство феррованадия складывается из двух процессов: восстановительного и рафинировочного. Во время первого периода ведут восстановление ванадия из пятиокиси ванадия и рафинировочного шлака при избытке восстановителя – ферросилиция и на известковых шлаках. Для довосстановления шлака разрешается применять коксовую мелочь. Содержание V2O5 в отвальном шлаке этого периода не должно превышать 0,35 %, а феррованадий содержит 25–30 % V, 21–23 % Si и 0,3–0,5 % С. Затем обогащают сплав ванадием в результате восстановления содержащимися в нем кремнием и алюминием пятиокиси ванадия, которая загружается в смеси с известью в соотношении 1:1,5. Содержание кремния в сплаве в конце восстановительного периода составляет 9–12 %, а ванадия 35–40 %. Отвальный шлак содержит < 0,35 % V.
После слива шлака начинают очистку сплава от кремния, для чего в печь загружают пятиокись ванадия с известью в соотношении 1:1. Восстановленный ванадий переходит в сплав, содержание кремния в котором опускается ниже 2,0 %, после чего сливают рафинировочный шлак и выпускают феррованадий в чугунные изложницы. После остывания сплав разделывают и упаковывают, а отходы, получающиеся при разделке и чистке сплава, возвращают на переплав.
Рафинировочный шлак, содержащий 40–45 % СаО, 20–25 % SiO2, 10–15 % MgO, 10–15 % V возвращают в печь в восстановительный период следующей плавки. Полученный феррованадий содержит примерно 45–50 % V, 1,5 % Si, 0,90 % Al, 1,2–1,4 % Mn, 0,7–0,95 % Cr, 0,08 % Р и 0,05 % S.
На одну базовую тонну феррованадия (40 % V) расходуется 710 кг плавленой пятиокиси ванадия (100 % V2О6) > 425 кг ферросилиция, ФС75, 75 кг алюминия, 1350 кг извести, 300 кг железной обрези и металлоотсева и 4,68 ГДж (1350 кВт*ч) электроэнергии.
Извлечение ванадия при производстве феррованадия составляет примерно 99,5 %, а сквозное извлечение ванадия из руды до феррованадия 60 %.
Норма образования шлака при алюминосиликотермическом способе составляет 6,6 т на тонну ванадия. Получаемый конечный шлак имеет химический состав, указанный в табл. 1 (по данным лаборатории химического анализа металлургического завода).
В настоящее время отходы размещаются в пойме рек Вильва и Чусовая в виде отвала на неподготовленной площадке. При этом происходит загрязнение почвы и водных объектов [3, 4, 5, 6, 7].
Таблица 1
Химический состав шлака при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом (марка 50) за первое полугодие 2012 г.
|
Месяц |
V2O5 |
SiO2 |
CaO |
MgO |
MnO |
Al2O3 |
P |
S |
|
Январь |
0,32 |
29,60 |
53,10 |
7,61 |
0,17 |
5,79 |
0,002 |
0,004 |
|
Февраль |
0,22 |
29,50 |
52,50 |
9,78 |
6,03 |
0,004 |
||
|
Март |
0,38 |
32,40 |
52,40 |
9,59 |
4,59 |
0,004 |
||
|
Апрель |
0,22 |
33,20 |
49,80 |
9,48 |
0,21 |
4,42 |
0,003 |
0,003 |
|
Май |
0,65 |
33,00 |
55,50 |
7,15 |
0,14 |
4,44 |
0,006 |
|
|
Июнь |
0,21 |
31,70 |
53,50 |
8,60 |
3,43 |
0,004 |
||
|
Средняя за полугодие |
0,33 |
31,57 |
52,80 |
8,70 |
0,17 |
4,78 |
0,0038 |
0,004 |
Изначально шлак представляет собой массивное твердое тело оливково-зеленого цвета. По мере остывания глыбы шлака в результате силикатного распада начинают рассыпаться, превращаясь в мелкий белый порошок. После распада шлак представляет собой пылевидную массу бело-серого цвета с удельной поверхностью до 300 м2 /кг.
Ранее проведенные исследования показали:
1. Удельная эффективная активность природных радионуклидов составляет 58 Бк/кг.
2. Индекс токсичности водного экстракта (без разведения) 12,34.
3. Гранулометрический состав, табл. 2.
Таблица 2
Гранулометрический состав феррованадиевого шлака
|
Размер отверстий сит, мм |
Полный остаток на ситах шлака, % |
|
2 |
3 |
|
0,63 |
32,0 |
|
0,315 |
83,0 |
|
0,14 |
97,0 |
|
0,08 |
99,0 |
Минералогический состав шлака состоит в основном из мервинита и двукальцевого силиката. Наряду с этим присутствуют мелит, периклаз и феррованадий металлический. Шлак самораспадающийся, в настоящее время не утилизируется, а размещается на промышленных площадках в виде отвалов, которые зачастую расположены в поймах рек и в непосредственной близости от населенных пунктов. При этом происходит задалживание территорий, загрязнение водных объектов и почвы на значительном удалении от места размещения отходов. С предприятия взимаются платежи за размещение отходов.
Согласно паспорту на отход производства шлак феррованадия – это промышленный отход V класса опасности, характеризующийся содержанием в водной вытяжке (1 л воды на 1 кг отходов) токсичных веществ на уровне ниже фильтрата из твердых бытовых отходов, а по интегральным показателям – биохимической потребности в кислороде (БПК20) и химической потребности в кислороде (ХПК) – не выше 300 мг/л; он имеет однородную структуру с размером фракций менее 250 мм. Благодаря своей структуре хорошо уплотняется и, как следствие, неудобен для устройства лазеек и нор, препятствует доступу птиц, грызунов и влаги в рабочее тело полигона, надежно изолирует ТБО от контакта с насекомыми.
Выводы
Таким образом, шлак металлургического завода, получаемый при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом, может быть использован в качестве изолирующего грунта для пересыпки ТБО. Благодаря этому мероприятию будут решены следующие проблемы:
1. Утилизация отходов металлургического завода, которых только на данный момент накопилось около 1 млн т, и каждый год добавляется 5–7 тыс. т.
2. Отпадет необходимость разработки почвогрунта для изоляции ТБО (для которого, как правило, дополнительно требуется разработка карьера), а следовательно, отпадет необходимость в проведении дополнительных работ по рекультивации разрабатываемых карьеров.
Рецензенты:
Глушакова И.С., д.т.н., профессор кафедры охраны окружающей среды ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь;
Корзанов В.С., д.х.н., доцент, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 07.12.2012.