Обезвреждане и оползотворяване на опасни отпадъци

Ако благосъстоянието на човечеството зависи от постоянното разширяване на производството и потреблението на всевъзможни продукти, обществото ще бъде принудено да се справя с бързото генериране на нови количества отпадъци, в това число и опасни, представляващи по-голям риск за здравето на хората и за околната среда от останалите. Намирайки се в такава ситуация, днес за всички нас е от голяма важност откриването на подходящи инструменти за минимизиране на образуването, обезвреждане и оползотворяване на опасните отпадъци. Поради естеството и свойствата си, тази група отпадъци са обект на по-строг режим на управление. Процесите на третирането им имат своите особености, а всички съоръжения и инсталации, които могат да работят с тях преминават през по-рестриктивен план за пускане в действие и мониторинг. Различните технически решения дават разнообразни опции, а изборът изисква специфични познания за постигане на целесъобразност и устойчивост.

Опасни са отпадъците, чиито състав, количество и свойства създават риск за човешкото здраве и околната среда, притежават едно или повече свойства, които ги определят като опасни, съдържат компоненти, превръщащи ги в опасни или са определени като такива от Базелската конвенция за контрол в трансграничното движение и обезвреждане на опасни отпадъци. Европейската комисия е определила номенклатура за класификацията на опасни отпадъци, което гарантира прилагането на еднакви принципи през целия им жизнен цикъл и в цялата Общност. Европейският списък на отпадъците, приет с Решение 2001/573/ЕО, налага система за кодиране на различните отпадъци с цел подобряване ефективността на дейностите по управлението им. Това решение създава система за класификация на отпадъците, включително разграничение между опасни и неопасни отпадъци. То е тясно свързано със списъка на основните характеристики, които правят отпадъците опасни.

Кои отпадъци са опасни?
Опасните отпадъци могат да бъдат под формата на твърди вещества, течности, утайки, аерозоли и газове. В България с най-голям дял са образуваните опасни отпадъци от термични процеси (около 50%), следвани от отпадъците от преработване на нефт (около 21%) и от пречиствателни станции за отпадъчни води (около10%). Освен производствата, добива на ресурси и селското стопанство, домакинствата също са източник на опасни отпадъци. Като примери за опасни отпадъци могат да се посочат остатъци от продукти за борба с вредители, от хербициди, живак-съдържащи уреди, лекарства с изтекъл срок на годност, замърсени с петролни продукти почви, диоксини и фурани от горивните процеси, полихлорирани бифенили, експлозиви, батерии и акумулатори, както и отпадъци, съдържащи тежки метали (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn, Hg, Cr, As, Te, Be, Sr, Al, Se) и много други.

Свойствата, който определят веществата и съответно отпадъците като опасни са строго регламентирани. Тук се отнасят експлозивни вещества и смеси, които могат да експлодират под въздействие на пламък или които са по-чувствителни към удар или триене от динитробензен; оксидиращи - пораждат силно екзотермична реакция при контакт с други вещества, особено със запалими вещества; лесно запалими, които имат точка на възпламеняване под 21°С и се възпламенят при кратък контакт с източник на огън.

Опасни са и дразнещите вещества и смеси, които при непосредствен, продължителен или повтарящ се контакт с кожата или лигавиците могат да предизвикат възпаление, както и вредните и токсични субстанции, които при вдишване, поглъщане или проникване през кожата могат да причинят смърт или остри и хронични увреждания на здравето. В групата на опасните отпадъци са и канцерогенните, които могат да предизвикат рак; корозивните, които разрушават живи тъкани; инфекциозните, които могат да предизвикат болести; токсичните за репродукцията и мутагенните – причиняващи вродени увреждания, както и сенсибилизиращите, предизвикващи свръхчувствителност.

Технически решения за обезвреждане и оползотворяване на опасни отпадъци
Управлението на опасни отпадъци се подчинява на йерархията: предотвратяване на образуването, подготовка за повторна употреба, рециклиране, друго оползотворяване, например като енергия и с последна степен на приоритет е депонирането. Когато генерирането на опасни отпадъци не може да бъде предотвратено, се търсят възможности за тяхното рециклиране и оползотворяване и само ако те са напълно изчерпани, се прибягва до депониране. Така техническите решения за обезвреждане се разделят на такива, които не водят до рециклиране и такива, които дават възможност за възстановяване на ресурсите.

От първата група в практиката се среща обезвреждане в или върху земя (например депа), обработка на почви (например биодеградация на течни отпадъци в почвата), дълбоко инжектиране с помпи в кладенци, солни мини или естествени резервоари, съхраняване в повърхностни водоеми като лагуни, депониране в специални изолирани клетки, полагане на морското дъно, биологично третиране, което води до образуването на крайни съединения или смеси, които след това се депонират, физико-химична обработка като изпарение, изсушаване, калциниране, неутрализация, утаяване и изгаряне.

Операциите, които водят до обезвреждане с оползотворяване са: използване за гориво или други средства за генериране на енергия, усвояване/регенериране на разтворители, киселини и основи, възстановяване на катализатори, повторно рафиниране на масла, рециклиране на метали, както и третиране на земи в полза на селското стопанство и подобряване на екологичното състояние.

Общи изисквания към инсталациите и съоръженията за третиране на опасни отпадъци
Технологичните линии се разделят за преработка на преобладаващо органични или неорганични отпадъци. Реакторите, в които се извършват химичните и физичните процеси, се конструират така, че да предпазват околната среда от вредни емисии. Всички резервоари и реактори трябва да бъдат снабдени с нивомери и със система за наблюдение на налягането и температурата. Реакторите за преработване на неорганични отпадъци трябва да са снабдени с рН-измерителна система и такава за измерване на редоксипотенциал. Всички отклонения от праговите стойности за даден процес се отбелязват визуално и чрез алармена система. Непрекъснато се наблюдават всички химични процеси и ако величините на параметрите се отклонят от праговите стойности, трябва да последва автоматично изключване.

Инсталациите за органични отпадъци могат да включват разделяне на емулсии, дестилация, мембранно филтруване, а тези за неорганични - неутрализация, утаяване, флокулация, окисление, редукция и обезводняване, като изборът зависи от конкретната цел. Те могат да бъдат разположени по такъв начин, че отделните части на инсталацията да преработват един вид отпадъци или да образуват многофункционална схема по избор, така че да преработват различни отпадъци.

В разрешенията или комплексните разрешителни за изгаряне или съвместно изгаряне на твърди или течни опасни отпадъци освен изискванията за всеки отделен вид опасен отпадък се посочват и минималните и максималните количества за съответния отпадък, които могат да бъдат изгорени, изразени като маса, включително минималните и максималните стойности на топлотворната им способност, възможното максимално съдържание на вредни вещества в тях, като полихлорирани бифенили (ПХБ), полихлорирани терфенили (ПХТ), пентахлорфенол (ПХФ), хлор, флуор, сяра и тежки метали.

Високотемпературно изгаряне (инсинериране)
Тази технология е доказала ефективността си при обезвреждане на опасни отпадъци. Извършва се в специализирани съоръжения (инсинератори) при високи температури над 1100оС, като продуктите на горенето са вода, въглероден диоксид и неорганична пепел. Ефективността на изгарянето зависи от времето на престой, температурата и концентрацията на кислород, което налага използване на висока автоматизация. Модерните инсинератори имат надежден контрол на критичните технологични точки и работят с вторични камери за допълнително окисляване за минимизиране на вредните емисии. Достиганата степен на деструкция е 99,9999 % (под 1 ppm), като това става възможно само със стриктно контролиране на температурния процес, времето на престой и турбулентността, зависещи от вида на изгаряните опасни отпадъци.

Най-често за опасни отпадъци се използват ротационни пещи и циментови пещи, докато тези с кипящ слой все още не са така често използвани в промишлени условия за този тип отпадъци. Ротационните пещи представляват цилиндрични реактори, леко наклонени по хоризонталната ос, с хоризонтално предвиждане на отпадъка и скорост на въртене около 0,5-2об/мин, с което се увеличава турболентността. Отпадъчните газове се подлагат на очистване след преминаването си през вторична горивна камера, а отпадъкът се отделя от долната част на пещта. Работните температури в ротационните пещи варират от 500оС до 1450оС. Температури в интервала 900-1200оС са типични за изгарянето на опасни отпадъци.

Отпадъкът се придвижва в пещта под действието на гравитацията при нейното въртене. Директно инжектиране се използва предимно за течните, газообразните или пастообразните отпадъци, особено когато представляват риск за безопасността. Обикновено време на престой между 30 и 90мин. е напълно достатъчно, за да се постигне добро изгаряне на отпадъците. С цел да се подобри деструкцията на токсични газови съединения, обикновено след въртящата пещ се монтира след-горивна камера, в която се извършва доизгаряне на някои газови компоненти. Днес тенденцията при инсинераторите е освен за обезвреждане на отпадъци, да се използват и за енергийното им оползотворяване, като остатъчната топлина се използва за електро- и топлоцентрали в т. нар. процеси на ко-генерация.

Циментовите пещи също предлагат условия за изгаряне на твърди отпадъци, включително пестициди, като най-подходящи са тези с ниско съдържание на вода и тежки метали. Поддържа се висока температура (1400°С), а ефективна скруберна очистваща система на киселите отпадъчни газове осъществява допълнителна неутрализация в алкалния циментов клинкер. Твърдият отпадък от горенето се разпределя в клинкера вместо да се депонира. Това също е добра възможност, освен обезвреждане, да се постигне енергийно и материално оползотворяване на отпадъците.

Пиролиза и газификация
Системите за пиролиза и газификация предлагат алтернативни технологии за термично третиране на опасните отпадъци. Пиролизата представлява дегазифициране на отпадъците в отсъствие на кислород, по време на което се образуват пиролизен газ и твърда фаза – кокс. Газификацията е частично изгаряне на органичната материя с цел получаване на газове, които могат да бъдат използвани като захранваща смес или като гориво. Често системите за пиролиза и газификация са комбинирани с едновременно изгаряне на генерирания синтез-газ. Допълнителните цели на процесите на пиролиза и газификация са да превърнат определени фракции от отпадъка в синтез-газ, подходящ за горене, т.е. енергийно оползотворяване и да редуцират изискванията за пречистване на газа чрез намаляване обема на газа. И пиролизата и газификацията се различават от изгарянето по това, че могат да възвърнат химичната стойност на отпадъка, не само енергетичната.

Плазмени системи
Технологията на плазмено преобразуване предлага възможност опасни отпадъци да се трансформират в синтез-газ. Той може да се използва за производство на пара, топло- и електроенергия, както и за получаване на други алтернативни горива - метанол, етанол, други въглеводородни горива и водород, представляващи ключови ресурси в много промишлени процеси. Системите за плазмено преобразуване разрушават опасни отпадъци като работят с термично плазмено поле, създадено с подаване на електрически ток през газова среда с ниско налягане. Температурата на средата е от порядъка 3000 – 5000°С, а времето на престой - 20-50ms.

Пример за този процес в природата са светкавиците. Плазмата представлява електропроводим газ, като електрическата проводимост се получава посредством йонизация на газа – някои атоми губят, а други получават електрони. Използват се устройства, генериращи постоянна електрическа дъга в плазмения факел – газификатори. Разликата между плазмените и неплазмените газификатори е в температурата. Вторите работят в диапазона 800-900оС и не могат да елиминират катраните, което затруднява пречистването на синтез-газа.

Плазмената газификация пренася огромно количество енергия върху отпадъците и се предизвиква молекулна дисоциация и необратимо разграждане. При такъв процес степента на деструкция на опасните вещества е изключително висока, за полихлорирани бифенили например тя е 99,9999%. Отпадъчният продукт е неопасна шлака, която се изтегля от дъното на плазмения газификатор и може да се използва като добавка в производството на строителни продукти. Плазмената газификация може да се интегрира в общ технологичен цикъл с инсинерацията – синтез- газа от плазмения процес се използва за гориво за инсинератора, а пепелите от инсинератора се обезвреждат в газификатора. Така се постига по-висока степен на пречистване на твърдите отпадъци и на летливите съединения и се увеличава ефективността на производство на електроенергия.

Tермична десорбция
Методът на термична десорбция включва изпаряване на летливите органични и неорганични замърсители така, че да бъдат отделени от твърдата фаза, върху която са адсорбирани. Използва се ефективно например за живак и устойчиви органични замърсители. Този метод се прилага обикновено за опасни вещества адсорбирани в почвите. Чрез загряване на замърсената почва в десорбер, някои от органичните компоненти и метали се изпаряват. Вакуумна система доставя отпадъчния газ в очистваща система. Този процес само десорбира, но не разрушава опасните компоненти. Термичната десорбция изисква ефективна система за улавяне на твърдите частици и замърсителите в отпадъчния газ. Твърдите частици обикновено се улавят във филтри с активен въглен, а органичните замърсители – чрез кондензация и следващо изгаряне. За очистване на почвата от горива, пестициди и летливи органични съединения се използват температури до 320оС, а за летливите метали се стига до 560оС.

Биоремедиация
За почви, води, лагуни и утайки, съдържащи опасни отпадъци друга опция на обезвреждане, е биоремедиацията. Тя прилага естествени или генно модифицирани микроорганизми, които използват замърсителите като източник на енергия. Използва се ефективно за въглеводороди, халогенирани органични разтворители, пестициди, азотни съединения, метали (олово, живак, хром) и радионуклиди. Страничните метаболити от процеса, върнати в средата са в по-слабо токсична форма от първоизточниците. Например, петролни въглеводороди могат да бъдат разградени от микроорганизми в присъствието на кислород чрез аеробно дишане. Въглеводородът губи електрони и се окислява, докато кислородът натрупва електрони и се редуцира. В резултат се образуват въглероден диоксид и вода. Биоремедиация включват използването на биореактори. В тях замърсените почви се смесват с вода и хранителни вещества и сместа се разбърква, за да се стимулира дейността на микроорганизмите.