Вклад тяжелых металлов в экологическую опасность зол мусоросжигательных заводов г. Москвы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат химических наук Щедрова, Наталья Игоревна

• Щедрова, Наталья Игоревна
• кандидат химических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат химических наук Щедрова, Наталья Игоревна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. f* 1.1. Твердые бытовые отходы и связанные с ними экологические проблемы.

1.1.1. Количество ТБО.

1.1.2. Морфологический состав ТБО.

1.13. Физико-химические свойства ТБО.

1.1.4. Экологические проблемы, связанные с ТБО.

1.2. Технические методы управления отходами.

1.2.1. Сортировка и обогащение ТБО.

1.2.2. Переработка.

13. Методы термического обезвреживания отходов.

13.1. Термические процессы, осуществляемые при температуре ниже температуры плавления шлака.

1.4. Мусоросжигательные установки как источник экологической опасности.

1.5. Принципиальные схемы мусоросжигательных заводов г. Москвы.

1.6. Состав зол мусоросжигательных заводов.

1.7. Методы определения экологической опасности твердых отходов в России и за рубежом.

1.7.1. Метод определения экологической опасности твердых отходов в России.

1.7.2. Краткое описание расчетного метода определения класса опасности отхода.

1.73. Обзор различных зарубежных методик по определению опасности твердых отходов для окружающей природной среды.

1.73.1. Состав выщелачивающего раствора.

1.73.2. Время контакта фаз.

1.733. Массовое соотношение навески отхода и объема выщелачивающего раствора.

1.73.4. Величина рН выщелачивающего раствора и ее контроль.

1.73.5. Температура проведения процесса.

1.73.6. Критерии токсичности фильтрата. ф 1.8. Кинетика выщелачивания твердых сыпучих материалов.

1.8.1. Особенности кинетики топохимических реакций.:.

1.8.2. Методы исследования топохимических реакций.

1.83. Особенности реакций на пористых поверхностях.

1.8.4. Кинетические закономерности реакции в целом.

1.8.5. Уравнения топохимии.

1.9. Экспрессный неразрушающий рентгеновский флуоресцентный анализ твердых отходов.

1.9.1. Возникновение рентгеновских спектров.

1.9.2. Достоинства и недостатки рентгенофлуоресцепгного метода.

1.9.3. Возможности рентгенофлуоресцентного метода для анализа зол МСЗ.

1.10. Методы математической статистики для обработки экспериментальных результатов.

1.10.1. Статистическая обработка результатов измерений.

1.10.1.1. Выборочные статистические характеристики.

1.10.1.2. Нормальное распределение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вклад тяжелых металлов в экологическую опасность зол мусоросжигательных заводов г. Москвы»

Санитарная очистка больших городов от твердых бытовых отходов (ТБО) в мировой практике пока продолжает осуществляться с применением термических методов, реализуемых на мусоросжигательных заводах (МСЗ).

Город Москва имеет два действующих МСЗ и один строящийся. Первый из них (завод №2) производит 8700 тонн летучей золы, второй (завод №3) 13400 тонн такого отхода в год. Зола обоих заводов вывозится совместно со шлаком на полигоны и размещается там как отход четвертого класса опасности. Ни один из заводов не осуществляет аналитический контроль состава твердых отходов, образующихся в процессе сжигания ТБО. Предполагается, что принятые при проектировании заводов технологические решения обеспечивают поддержание указанного класса опасности в процессе всего срока эксплуатации МСЗ.

Вместе с тем, хорошо известно, что летучая зола, может содержать весьма опасные для здоровья человека и состояния окружающей среды неорганические и органические вещества. Состав и экологическая опасность золы сильно зависят от технологических режимов процесса сжигания и очистки отходящих газов, а также от морфологического состава ТБО, который не остается постоянным, а меняется в связи с изменением экономических и социальных условий в стране. Известно, что для бедных стран, в составе ТБО более существенную долю составляют пищевые отходы, а для развивающихся - упаковочные материалы. Именно поэтому технологии и оборудование МСЗ, разработанные даже в самых передовых странах, могут создавать экологические проблемы в иных природных и социальных условиях.

Экологическая опасность золы МСЗ г. Москвы в процессе функционирования этих заводов системно не исследовалась. Летучую золу продолжают относить к отходу 4 класса опасности, хотя появились данные о неправомочности такого отнесения. Отсутствуют сведения о связи между строением частиц золы и ее опасностью. Вместе с тем, состав и строение частиц летучей золы должны быть хорошими индикаторами работы всего комплекса обезвреживания ТБО. Именно поэтому, объектами исследования стали золы МСЗ №2 и №3, т.е. заводов, имеющих существенные различия в технологиях сжигания, газоочистки и в длительности эксплуатации.

Цель работы состоит в определении вклада тяжелых металлов (ТМ) в экологическую опасность зол МСЗ г. Москвы, в установлении связи экологической опасности с составом и строением частиц золы, а также в разработке предложений по уменьшению этой опасности.

Заключение диссертации по теме «Экология», Щедрова, Наталья Игоревна

выводы

1. Разработаны методики РФС анализа зол МСЗ г. Москвы и жидких вытяжек из этих твердых отходов. Установлены динамические диапазоны определения элементов, пределы обнаружения, величины чувствительности, затраты времени. С использованием методов математической статистики проведен анализ погрешностей РФС методики определения ТМ в золе, и установлены наиболее ответственные этапы методики.

2. Методами РФС, ААС и АЭС - ИСП установлен количественный состав зол МСЗ и вытяжек из них. Показано, что зола МСЗ №3 сильнее загрязнена ТМ, чем соответствующие отходы МСЗ №2, что объясняется несовершенной технологией газоочистки на МСЗ №3 и подтверждает необходимость запланированных модернизаций на заводе №3. Показано, что составы колосниковой и летучей золы статистически значимо различаются. В летучей золе повышено содержание таких токсичных ТМ, как Zn, Pb, Cd, Си, а содержание Al, Fe, Mn, Ti, V существенно выше в колосниковой золе.

3. Для моделирования взаимодействия твердых сыпучих отходов с дождевыми осадками разработаны установка и методология исследования кинетики гетерогенного гидролиза. Впервые установлен механизм процессов гетерогенного гидролиза летучей золы. Обнаружено и объяснено колебательное поведение во времени концентраций в водных щелоках ионов водорода и ионов металлов, склонных к гидролизу и образованию осадков гидроксидов.

4. Установлено неравномерное распределение элементов по глубине частицы золы. Показано, что наружный слой частиц золы толщиной несколько мкм обогащен хлоридами ТМ, в том числе свинца, кадмия и цинка, что приводит к возникновению острой токсичности мелких частиц золы.

5. Показано, что вклад Zn и РЬ в экологическую опасность золы по неорганической компоненте составляет 84-98%, что дает возможность ограничить производственный контроль опасности золы только этими двумя элементами. Установлен класс опасности зол МСЗ по неорганической компоненте и показано, что вывоз зол на полигоны следует прекратить. Временной мерой перед размещением зол на ландшафте может служить обработка ее известковым "молоком".

6. Обоснована возможность применения РФА для экспрессной оценки экологической опасности зол МСЗ по неорганической компоненте. Предложено применять непрерывный производственный контроль концентраций РЬ и Zn с помощью рентгенов

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Щедрова, Наталья Игоревна, 2004 год

1. Федоров Л.Г. Управление отходами в крупных городах агломерационных системах поселений. М., Издательство Прима-Пресс-М., 1999, с.113.

2. Матросов А.С. Управление отходами. М., Гардарики, 1999, с.468.

3. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1999 г.». М., Мин. охраны окружающей природной среды и природных ресурсов РФ, 1999, с.459.

4. Joseph S. Carra, Raffaello Cossu. International perspectives on MSW and sanitary land-filling. London, Academic Press, 1990, p. 1-14

5. Аналитическая, эколого-экономическая и технологическая оценка промышленных методов переработки ТБО. М., «Экотехпром», 1998, с.48.

6. Игнатович Н.И., Рыбальский Н.Г. Информационно-справочный бюллетень «Экологический вестник России». М., 1995, с.66.

7. Абрамов Н.Ф., Юдин А.Г. Стратегия устойчивого развития. НТЖ «Чистый город» №3(7). М., 1999, с.11-15.

8. Мирный А.Н. Санитарная очистка и уборка населенных мест. М., Стройиздат, 1990, с. 86

9. International directory of solid waste management. 1996/97, the ISWA yearbook, p.496

10. Luis F. Diaz. Solid waste management for economically developing countries, ISWA, 1996, p.418.

11. Syed R. Qasim, Walter Chiang. Sanitary Landfill Leachate. TPC Inc., Texas, 1994, p. 323.

12. Беренгартен М.Г. и др. Управление отходами в городском хозяйстве. М., 1999, с.82.

13. Муниципальные и промышленные отходы: способы обезвреживания и вторичной переработки. Обзор. Н., 1995, с. 155.

14. Промышленная практика термической переработки отходов в Германии, Швейцарии, Австрии. Под ред. Федорова Л.Г. М., «Экотехпром», 1998, с.231.

15. International directory of solid waste management 1998/99; the ISWA yearbook, p.512.

16. National guidelines for hazardous waste incineration facilities. V.2, CCME, Ontario, 1992, p.33.

17. Fehlow J. What is actual status in development of waste combustion on the qrate? EU-ROFORUM conference, Paris, February 25-227,1997.

18. Stieqlitz L. Voqq H. On formation of PCDD/PCDF in ash from municipal waste incinerators. Chemosphere, 1986,16,1917.

19. Voqq H Stieqlitz L. Thermal behaviors of PCDD/PCDF fly ash from municipal waste incinerators. Chemosphere, 1986,15,1373.

20. Lee P.H. IchemR. Waste management and research. V.77, part B, 1999, p.212-218.

21. Ontiveros J.L. A comparison of the composition and properties of municipal solid waste. 1988, p.234.

22. Waste materials in construction. Proceedings of international conference on environmental implications of construction with waste materials. Maastricht, The Netherlands, 10—14 Nov. 1991, p.105

23. Waste management and research. ISWA, V.l4, №1, 1996, p. 101.

24. Кикава О.Ш. Утилизация золы и шлака мусоросжигательных заводов. М.: Издательство «СигналЪ», 2000, с.44.

25. Albino et al. Stabilization. Solidification of Hazardous Waste before Landfill Disposal. Journal of Environmental Science and Health, № 2 A, 1994, p.34-39

26. Antal Halasz. PCDD/F emission control by intermediate dust removal at medical waste incinerators. Waste management and research, ISWA, №1,1996, p. 12.

27. Lecuyer.I., Bicocchi S., Ausset P., Lefevre. Physico-chemical characterizaition and leaching of desulphurization coal fly ash. Waste management and research, ISWA, №1,1996, p. 15-28.

28. Egemen E., Yurteri C. Regulatory leaching test for fly ash: a case study. Waste management and research, ISWA, №1,1996, p.43-50.

29. Bruner P.H. Leaching of toxic metals from incinerators ashes. ISWA, №4,1986, p.25-29.

30. Hulit E. Hazardous and industrial solid waste testing and disposal. Waste management and research, V.5, 1985, p. 146.

31. Reimann D.O. Heavy metals leachability from solid waste incineration residues. Waste management and research, ISWA, №7,1989, p. 57-62.

32. U.S. EPA. Characterizations of municipal waste combustor ashes and leachates from MSW landfills. I-Vn, 530-SW-87-028A-E., W., 1987.

33. Tay J.H. Utilization of incineration residue in concrete. Waste management and research, ISWA, №12,1989, p.102.

34. Майстренко B.H., Хамитов P.3., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг суперэкотоксикантов. М., Химия,1996, с.319.

35. Crow «Resten zijn geen afVal (meer)/ AfValverbrandings-slakken», Netherland, №5, 1988, p.12.

36. DIN 38414 4e partie, Rhenanie-Westphalie, 1991, p.10.

37. Environmental guidenes on Best Available Techniques (BAT) for the production of asphalt mixes. Netherland, 1994, p.72. ^

38. Федеральный закон «Об отходах потребления производства и потребления» №89-ФЗ от 28.06.1998.

39. Д. Вилсон. Утилизация твердых отходов. T.l. М.: Стройиздат, 1985, с.385.

40. ГОСТ 25-916-83 «Ресурсы материальные вторичные».

41. В. А. Улицкий и др. Классификация и паспортизация вторичных материальных ресурсов. М., 1991 Материально-техническое снабжение. Сер.1 Обзор информации (ЦНИИ-ТЭИС. Вып.2)

42. Приказ Министерства Природных ресурсов РФ от 15.06.2001 № 511 «Об утверждении Критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды».

43. Utilisation de sous-produits industries et materiaux de demoltion en construction routiere. Bruxelles, Centre de recherches routieres, 1989, p.87.

44. Hazardous and industrial solid waste testing and disposal. V.6, 1985, p.86.

45. Hazardous and industrial solid waste testing and disposal. V.5, 1985, p.146.

46. Eisenberg et aL Chemical characteristics of selected fly ash leachates. Journal of Environmental Science and Health, A21,1986, p. 383.

47. Inyang H.I. Environmental Issues and Waste Management in Energy and Minerals Production, The Netherlands, p. 117.

48. Douglas McDowell. Quantitative mineral determination of industrial coal ash. Journal of the Air Waste Management Assotition. 1993, p. 43

49. U.S. EPA. Characterizations of municipal waste combustor ashes and leachates from MSW landfills. I-VD, 530-SW-87-028A-E., W., 1987

50. DIN 38414 4e partie, Rhenanie-Westphalie, 1991, p.10.

51. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения. САН ПиН№ 4608-88.

52. Розовский АЛ. Кинетика топохимических реакций. М.: Химия, 1974.

53. Под. ред. Эмануэля Н.М, Сергеева Г.Б. Экспериментальные методы химической кинетики. М., Высшая школа, 1980, с.375.

54. Д.А. Франк-Каменецкий. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М., Наука, 1967, с 490.

55. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М., Наука, 1978, с 335.

56. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М., Высшая школа, 1962, с.288.

57. Колдин У. Быстрые реакции в растворе. М., Мир, 1996, с. 309.

58. E.W. Haycock. Transition from parabolic to linear kinetics in scaling of metals, J. Elec-trochem. Soc. 106 (1959) pp.771 775.

59. D.W. Price, G.W. Warren, B. Drouven, The electrochemical behaviour of silver sulphide in sulphuric acid solution. J. Appl. Electrochem. 16 (1986) pp.713 719.

60. M.E. Wadworth, X. Zhu, J. Li. Electrochemistry of pirite, in: J.B. Hiskey, G.W. Warren (Eds.). Proc. 4th Symp. Hydrometallurgy. Salt Lake City. UT1993.pp.85-99.

61. V.S.T. Ciminelli, K. Osseo Asare. Kinetics of pirite oxidation in sodium carbonate solutions. Met. Mater. Trans. 26B (1995), pp. 209 -218.

62. O. Levenspeel, Chemical reaction Engineering, Whiley, New York, 1972, p.321.

63. H.Y. Sohn, M.E. Wadsworth (Eds). Rate processes in extractive metallurgy, Plenum, New York, 1979, p.227.

64. J. M. Smith Chemical Engineering Kinetics, 3rd., McGraw Hill, New York, 1981.

65. A.J. MacCarthy, R.G. Coleman, M.J. Nicol. The mechanism of the oxidative dissolution of colloidal gold in cyanide media. J. Electrochem. Soc. 145 (1989),pp. 408-414.

66. P.B. Munoz, J.D. Miller, M.E. Wadsworths. Reaction mechanism for the ferric sulfate leaching of chalcopirite, Met. Mater. Trans. 10B (1979), pp.149 158.

67. J.J.C. Jansz. A stochastic modelling approach to chemically controlled dissolution of ground minerals// Hydrometallurgy 12 (1984), pp.225 —243.

68. Bayrakeeken, Y. Yasar, S Colak. Leacing FeS in aqueous chloride solution, Hydrometallurgy, 25 (1990), pp. 357 365.

69. Лосев Н.Ф., Смагунова A.H. Основы рентгеноспектрального анализа. М., Химия, 1982, с. 195.

70. Н.А. Strobel, W.R. Heineman. Chemical Instrumentation: A. Systematic Approach. 3-d Ed. John Wiley & Sons. NY, 1989, p.1210

71. Лосев Н.Ф. Рентгенофлуоресцентный анализ. M., Химия, 1991, с. 200.

72. Данцер К., Тан Э., Мольх Д. Аналитика. Систематический обзор. М., Химия, 1981, с.280.

73. Калинин Б.Д., Цизин Г.И. Применение портативного рентгеновского спектрометра СПАРК 1М для определения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», 1996, Т. 64, №8, с. 2-16.

74. К. Дерффель. Статистика в аналитической химии. М., Мир, 1994, с. 268.

75. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М., Высшая школа, 1998, с.479.

76. Петере Д., Хайес Дж., Хифтье Т. Химическое разделение и измерение. М., Химия, 1978, т. 1, с. 816.

77. Ramakant Rhazanie. Elementary Statistics in World of Applications. Humboldt State Yniversity, 1981, pp.631.

78. Б.Д. Калинин, Г.И. Цизин. Применение портативного рентгеновского спектрометра СПАРК 1М для определения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. Заводская лаборатория, Диагностика материалов, 1996, Т. 64, №8, с. 2-16.

79. Б.Д. Калинин, Р.И. Плотников. Рентгенофлуоресцентный анализ следов вещества. Заводская лаборатория. 1996, Т.64, № 2, с.16-23.

80. ГОСТ РИСО -5725,части 1-6,2002.

81. Ефимов А.И. Свойства неорганических соединений. Справочник. JL, Химия, 1983,с. 392.

82. МУ 2.1.674-97.Коммунальная гигиена. Санитарно-гигиеническая оценка стройматериалов с добавлением промотходов. Минздрав России. М.,1997, с.40.

83. Руководящий документ. Методические указания. Методика выполнения измерений массовой доли водорастворимых форм металлов. РД 52.18.286-91., Государственный комитет СССР по гидрометеорологии, М., 1991, с.31.

84. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. ЦИНАО, М.,1989, с.58.

85. Программный комплекс СПЕКТР-W. Руководство оператора. Яб 00130-01 3401. НПП «Буревестник». С.-П., 1998, с.49.

86. СПАРК 1М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Яб 1.211.086 ТО. НПП «Буревестник». С.- П, 1991, с.75.

87. ПНД Ф 16.1:2.3:2.11-98. Методика выполнения измерения содержания металлов в твердых объектах (почва, компосты, кеки, осадки сточных вод, пробы растительного происхождения) методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой.

88. ПНД Ф 14.1:2-22-95 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации железа, кадмия, свинца, цинка и меди в пробах природных и сточных вод методом пламенно-абсорбционной спектрометрии. М., 1995.

89. ПНД Ф 14.1:2:22-96 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации кадмия, свинца, цинка и меди в питьевых, природных, морских и очищенных сточных вод методом инверсионной волътамперометрии. М., 1996.

90. Брайнина Х.З., Нейман ЕЛ., Слепушкин В.В. Инверсионные электроаналитические методы. М., Химия, 1998, с.240.

91. Жуков А.Ф., Колосова И.Ф., Кузнецов В.В. Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа. Учебник для вузов. Под ред. Петрухина О.М. М., Химия, 2001, с. 496.

92. Программный комплекс Наладка-W СПАРК-1М. Руководство оператора. Яб 0012501 34 01. НПП «Буревестник». С.-П., 1998, с.34.

93. Программный комплекс «Корса-W». Руководство оператора. Яб 00119-01 3401, листов 37.

94. Юфит С.С. Яды вокруг нас. Цикл лекций. М., Джеймс, 2001, с.400.

95. А.И. Родионов, В.Н. Клушин, В.Г. Систер. Технологические процессы экологической безопасности. Изд. Н. Бочкаревой, Калуга, 2000, с. 799.

96. Rappe. Sources and environmental concentrations of dioxins and related compounds// IUPAC. Pure and applied Chemistry, 1996, V 68, №9, pp 1781-1791.

97. Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В., Расторгуева Г.П. Чем дышит промышленный город. JL, Гидрометеоиздат, 1991, с. 234.

98. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. Справочник. JL, Химия, 1987, с. 192.

99. Малахов С.Г., Маханько Э.П. Выброс токсичных металлов в атмосферу и их накопление в поверхностном слое земли. Успехи химии, 1990, т.59, вып. 11, с. 1777-1779.

100. Под ред. X. Зигеля, А.Зигеля. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. М., Мир, 1993, с.221.

101. Ward D.B., Goh Y.R., Clarkson P.J., Lee P.H., Nfsserzadeh V., Swithenbaank J. A novel energy-efficient process utilizing regenerative burners for the detoxification of fly ash. Trans IChemE, Part B, 80: p.315-324.

102. D.C.K. Ко, J.F. Porter, G. McKay. Fixed bed studies for sorption of metal ions onto peat. Institution of Chemical Engineers. Trans IChemE, 2003,V. 81, Part B, March, p.73-86.

103. Доклад о свинцовом загрязнении окружающей природной среды Российской Федерации и его влияние на здоровье населения. М., РЭФИА, 1997,с. 233.