Проблемы диоксинового загрязнения от МСЗ нового поколения

Имеющиеся у нас данные позволяют сделать вывод о том, что содержание диоксинов и других стойких органических загрязнителей в газообразной фракции отходов, возникающих в результате работы мусоросжигательных заводов, за последние годы существенно снизилось.

 «Линия раздела» между условно-старыми и условно-новыми МСЗ заводами приходится на рубеж 1999-2000 годов. Одной из предпосылок к данному процессу стало внедрение новых стандартов для промышленных выбросов, принятых с целью защиты окружающей среды, или расширение имеющихся стандартов путем включения в перечень новых видов загрязняющих веществ.

Например, в случае американского стандарта MACT (Maximum Achievable Control Technology), начало было положено в 1970 году, когда был принят Акт о чистом воздухе (Clean Air Act — CAA). Актуальный список загрязняющих веществ сформировался к 1990 году, а его внедрение растянулось на 10 лет. Аналогичные процессы происходили в западноевропейских странах и Японии. C 2000 года в ЕС вступила в силу Директива по мусоросжиганию (RL 2000/76/EEC). Для диоксинов и фуранов был установлен уровень предельно-допустимой концентрации в дымовых газах — 0,1 нг/м3. Аналогичные ограничения введены применительно к тяжелым металлам, кислотным газам, оксиду азота, хлороводороду и другим вредным веществам.

К 2000-м годам, с одной стороны, сформировалась законодательная база, регламентирующая уровень выбросов в атмосферный воздух, а с другой стороны — стали широко внедряться технологии, позволяющие существенно снизить уровень вредных веществ, выбрасываемых в газообразной фазе отходов.

Согласно исследованию «Сжигание мусора и здоровье населения» Комитета по воздействию мусоросжигания на здоровье США, если до внедрения стандартов MACT уровень воздействия выбросов диоксинов на здоровье людей, проживающих в 10-км зоне вокруг завода, был существенным, то с переходом на «новые технологии» в этой зоне снизился до минимального, но остается существенным для рабочих заводов. Вклад МСЗ заводов нового поколения с точки зрения воздействия диоксинов на здоровье людей в масштабах региона/страны продолжает оставаться существенным.(Источник: Waste Inceneration and Public Health. National Research Council. Washington D.C., 2000.)

Российский опыт строительства МСЗ заводов по «новым стандартам» отсутствует. В Москве работает три мусоросжигательных завода «старого типа», где для очистки отходящих газов используются устаревшие керамические и электростатические фильтры. Концентрация загрязняющих веществ в режиме онлайн не контролируется, тем не менее, есть данные о том, что уровень выбросов на порядок выше, чем в современных инсенераторах (Источник: Semenov S. Yu., Smirnov V. N., Zykova G. V., Finakov G. G. 1998: PCDD/PCDF — Emission From Moscow Municipal Solid Waste Incinerator. Organohalogen Compounds, Vol. 36 (1998), 301 — 305.)

Прежде чем дать ответ на глобальный вопрос, безопасны ли современные МСЗ заводы, нам предстоит дать ответ на два частных вопроса:

1. Как получается, что концентрации диоксинов и фуранов на выходе «из трубы»  для заводов нового поколения существенно ниже, но в масштабах региона влияние этих заводов на общее загрязнение диоксинами продолжает оставаться значительным?
2. Правда ли, что МСЗ заводы нового поколения, оснащенные современными системами очистки, отвечают концепции «ноль отходов» и абсолютно безопасны для здоровья людей, как утверждают чиновники и бизнесмены, имеющие отношение к программе «Чистый город»? Стоит ли переживать тем жителям Подмосковья и Республики Татарстан, рядом с чьим домом планируется построить «безопасный» мусоросжигательный завод?

СТОЙКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНИТЕЛИ (СОЗ)

Мусоросжигательные печи производят широкий перечень вредных веществ, в том числе тяжелые металлы (ртуть, мышьяк, свинец, кадмий и др.), кислотные газы, а также сложные органические загрязнители, возникающие при сжигании хлорсодержащих материалов, например, поливинилхлорида (ПВХ). Токсическое воздействие хлорорганических соединений на организм человека выражается наиболее ярко, так как эти вещества накапливаются в организме, токсичны в самых малых дозах, имеют мутогеннный и канцерогенный эффект. К таковым относят четыре вещества: полихлорированные бифенилы (ПХБ), гексахлорбензол (ГХБ), полихлорированные дибензодиоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ). Последние два в публицистических материалах называют диоксинами. Указанные четыре вещества, в свою очередь, входят в более широкую группу стойких органических загрязнителей (СОЗ).

Мусоросжигательные заводы, как правило, являются достаточно сложными устройствами, и для любой такой установки может иметь место множество путей, через которые СОЗ поступают в окружающую среду. Объемы диоксинов и фуранов, образующихся в определенном типе инсенератора, не одинаковы и зависят от условий сжигания отходов.

Для образования ПХДД/ПХДФ существует три модели:

1. Высокая температура (пиросинтез).
2. Низкая температура в случае повторного формирования (восстановления) из высокомолекулярных соединений углерода и органического или неорганического хлора, присутствующих в составе золы.
3. Образование от органических прекурсоров, в которых летучая зола имеет важную роль в качестве катализатора.

Хотя все эти механизмы были известны в течение многих лет, некоторые механизмы формирования СОЗ были детально изучены лишь в исследованиях последних лет, ввиду чрезвычайно сложного состава летучей золы.

До сих пор наибольшее внимание уделялось выбросам в воздух, в то время как содержание СОЗ в отходах и сточных водах находилось за рамками исследований.

ОТХОДЫ МУСОРОСЖИГАНИЯ

Сжигание — тепловой процесс, в процессе которого органические отходы изменяют свой химический состав и распадаются на более простые соединения в процессе воздействия на них высоких температур в присутствии кислорода. Дымовые газы и пылевидные частицы, которые не уловили фильтры, выбрасываются в атмосферный воздух через дымовую трубу.

Помимо выбросов через трубу, остается зола, загрязненные фильтры, а в случае использования в цикле газоочистки жидкостных фильтрующих устройств наподобие мокрого скруббера — значительный объем сточных вод. Все эти разнородные отходы мусоросжигания, в конечном итоге, попадают в окружающую среду.

Образующаяся в процессе сжигания ТКО зола не является однородным веществом, а подразделяется на три или четыре фракции:

1. Примерно 25% от объема поступающих на сжигание ТКО сохраняется в зольном остатке (bottom ash) на дне камеры сгорания, также известном как «шлак» (slag). Инертные вещества, такие как каменистые материалы, большинство металлов, не сгорают, а в конечном итоге, попадают в зольный остаток.
2. Зольный остаток следует отличать от летучей золы (fly ash), представляющей собой пылеобразные твердые частицы в дымовых газах, частично улавливаемые при помощи электростатических фильтров. При сжигании ТКО объем образующейся летучей золы составляет от 1 до 5 процентов.
3. Мелкие пылеобразные частицы прикрепляются к стенкам камеры сгорания и образуют так называемую “печную сажу” (boiler ash). «Печная сажа» обычно составляет менее 0,1% от объема сжигаемых отходов. Но поскольку этот вид отходов удаляется механическим путем при проведении сервисного обслуживания печей, то к моменту очередной процедуры сервисного обслуживания объем “печной сажи” может быть значительными.
4. Если завод оснащен жидкими фильтрующими системами (мокрый скруббер), то в процессе их эксплуатации возникают различные виды твердых отходов, такие как соли (scrubber salts), фильтрационный осадок (filter cake), шлак (sludge), гипс (Источник: AFTER INCINERATION: THE TOXIC ASH PROBLEM, Re-print from April 2005 Report, Prague – Manchester.)

Таким образом, от 25 до 40 процентов от изначального объема ТКО остается в виде твердых отходов сжигания. На физические свойства фракции золы могут повлиять такие факторы, как:

1. Состав ТКО.
2. Сортировка отходов перед сжиганием.
3. Конструктивные особенности печи, в том числе, температура сжигания.
4. Наличие системы автоматизированного контроля уровня загрязнения дымовых газов.

УГОЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ КАК «ДИОКСИНОВАЯ ФАБРИКА»

Уровень содержания диоксинов и других СОЗ в газообразных выбросах МСЗ заводов контролируется системами контроля загрязнения воздуха (Air Pollution Control Residues — APCR). Мы слышали заявления о том, что проверить концентрацию вредных веществ в выбросах проектируемых заводов в Казани и Подмосковье смогут не только соответствующие специалисты, работающие на данных предприятиях, но и экологические активисты и рядовые граждане. Информация с газоанализаторов, установленных, в т.ч., в трубах заводов, будет размещаться в сети Интернет в автоматическом режиме.

Концентрация ПХДД/ПХДФ в пылеобразных частицах, шлаке, «печной саже» и отходах системы газоочистки не контролируется системами APCR.

Содержание СОЗ в шлаке и летучей золе будет увеличиваться при смешивании с золой, поступающей от фильтров газоочистки. Шлак, сам по себе, не так сильно насыщен СОЗ, но в процессе смешивания уровень концентрации вредных веществ будет увеличиваться.

«Печная сажа», удаляемая со стенок камеры сгорания в период сервисного обслуживания, содержит более высокие концентрации СОЗ. В летучей золе и шлаке могут содержаться высокие концентрации тяжелых металлов.
В исследовании P. Littaru и L. Vargiu изучен процесс формирования диоксинов в летучей золе на примере двух муниципальных мусоросжигательных заводов в Италии. Они пришли к выводу, что наиболее высокие концентрации ПХДД и ПХДФ образуются в летучей золе при температурах 150-200 °C в процессе восстановления диоксинов (de novo synthesis). Зола адсорбирует молекулы, выступающие в качестве “строительного материала” для восстановления сложных хлорорганические соединений. Таким образом, насыщение пылеобразных частиц ПХДД и ПХДФ может быть обусловлено адсорбцией исходных молекул из газовой фазы.

Концентрации ПХДД/ПХДФ имеют тенденцию увеличиваться со снижением температур. Средние значения концентрации диоксинов на выходе из камеры сгорания могут рассматриваться как относительно приемлемые, но синтез диоксинов в золе продолжается, причем он происходит практически во всех зонах каталитического реактора в зоне газоочистки. Показательно, что большая часть ПХДД/ПХДФ адсорбируется именно в твердой фазе. По причине эффектов адсорбции и восстановления диоксинов именно в зоне очистки газа образуется самая токсичная зола, а по сути постоянно идет процесс генерации диоксинов.

Зола и пылеобразные частицы, захваченные угольными фильтрами, насыщенные СОЗ, представляют собой наиболее опасный вид отходов мусоросжигания, но при этом концентрации СОЗ в этих видах отходов не контролируются системами газоочистки. ПХДД/ПХДФ генерируются на лету в линиях газоочистки благодаря механизму повторного синтеза из более простых веществ, присутствующих в отходящих газах (Источник: Littarru, P., Vargiu, L. 2003: Generation of PCDD/F in fly Ash from Municipal Solid Waste Incinerators. Journal of the Air & Waste Management Association Volume 53:914–917, August 2003).

Итальянское исследование подтвердило, что сжигание как таковое не является основным источником ПХДД/ПХДФ, и эти вещества не образуются непосредственно в камерах сгорания. На основании этих данных вывод об эффективности современных систем газоочистки должен быть пересмотрен.

Аналогичный вывод можно сделать и на основании исследования Ling и Hou, изучавших влияние угольных фильтров на общее содержание диоксинов. Они пришли к выводу, что впрыскивание активированного угля в реактор системы газоочистки, действительно, способствует снижению концентрации диоксинов в отходящих газах, но приводит к увеличению общей эмиссии диоксинов (включая диоксины в летучей золе и газе) в мусоросжигательных заводах для ТКО.

Аналогичным образом, формируются в зоне очистки отходящих газов и другие СОЗ. Не удивительно, что повторное использование шлака мусоросжигательных заводов в металлургии привело к ряду «диоксиновых скандалов» в Германии (Источник: Ling, Y.-C., Hou, P. C. C. 1998: A Taiwanese study of 2,3,7,8-substituted PCDD/DFs and coplanar PCBs in fly ashes from incinerators. Journal of Hazardous Materials 58 (1998) 83-91).

Отметим, что и в случае «наших» заводов в Казани и Подмосковье разработчики говорят о повторном использовании шлака для металлургии, причем этот факт преподносится как «бонус», который должен вызвать благосклонное отношение к проекту некоторых экологических организаций, сосредоточивших свое внимание на рециклинге отходов.

В исследовании «После сжигания: Проблема токсичной золы» авторы рассчитали примерное соотношение концентраций СОЗ, образующихся на выходе мусоросжигательного завода в городе Либерец (Liberec), Чехия, и пришли к выводу, что с газообразными продуктами сжигания отходов выносится только 3% общего объема образующихся диоксинов. Оставшиеся 97% представлены в смешанном зольном остатке.

В данном случае, сложно определить, какой вклад в этот объем вносят использующиеся для очистки газов угольные фильтры. Но если учесть тот факт, что на долю изолированного шлака приходится только 4,5% общего объема диоксинов, то это означает, что угольные фильтры улавливают оставшиеся 92,5%.

Аналогичные расчеты относительно полихлорированных бифенилов, имеющих сходную модель формирования, авторам исследования были не доступны, так как содержание ПХБ, как правило, не изменяется даже применительно к газовой фазе отходов мусоросжигания (Источник: AFTER INCINERATION: THE TOXIC ASH PROBLEM, Re-print from April 2005 Report, Prague – Manchester).

Летучая зола и другие отходы, возникающие в процессе очистки дымовых газов, формируют наибольшую долю выбросов диоксинов в окружающую среду: между 56 и 99,5%. Обычно на газообразные выбросы приходится наименьший процент образующихся диоксинов (между 0.0004% и 12 %). Концентрации диоксинов, содержащиеся в летучей золе, представляют собой серьезную угрозу для окружающей среды и не регистрируются системами автоматизированного контроля выбросов.

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ ПХДД/ПХДФ ИЗ ЗОЛЫ

Корейские ученые Kim и Lee изучали вопрос вымываемости ПХДД/ПХДФ при условиях, сопоставимых с таковыми на полигонах захоронения отходов. С теоретической точки зрения, растворённые гуминовые вещества (dissolved humic matters — DHM), содержащиеся в почве, способны влиять на фактическое растворение и вымываемость диоксинов. В эксперименте, изучались три различные концентрации DHM  и уровни pH в сочетании с образцами летучей золы и пылеобразных частиц, образующихся на мусоросжигательных заводах для ТКО.

Было доказано экспериментально, что вымываемость ПХДД/ПХДФ повышается при увеличении концентрации DHM независимо от уровня кислотности среды. Наиболее высокий уровень вымываемости был зафиксирован при максимальном значении pH. Изометрические паттерны ПХДД/ПХДФ при любом значении вымываемости были сходными (Источник: Kim, Y., Lee, D., Masahiro, O. 2002: Effect of dissolved humic matters on the leachability of PCDD/F from fly ash — Laboratory experiment using Aldrich humic acid. Chemosphere 47 (2002) 599-605).

Sakai, Urano и Takatsuki опубликовали другое исследование, посвященное вопросу вымывания диоксинов и ПХБ из летучей золы. Тесты на вымывание с присутствием и без присутствия поверхностно-активных веществ проводились с целью определить влияние ПАВ на процесс выщелачивания. В этих тестах в качестве ПАВ использовались линейные алкилбензолсульфонаты (Linear Alkylbenzene Sulfonate — LAS) и гуминовая кислота. Для анализа использовались измельченные отходы переработки автомобильных аккумуляторов и летучая зола с мусоросжигательного завода.

Кроме того, эксперимент должен был внести ясность относительно роли пылеобразных частиц на концентрации СОЗ, достигаемые в процессе выщелачивания. Результаты тестов показали, что ПАВ повышают концентрацию СОЗ, а присутствие пылеобразных частиц напрямую влияет на уровень концентрации СОЗ (Источник: Sakai, S., Urano, S., Takatsuki, H. 1997: Leaching behaviour of PCDD/Fs and PCBs from Some Waste Materials. Waste Materials in Construction: Putting Theory into Practice, Elsevier, pp.715-724 (1997)).

Из-за длительного биологического полураспада диоксинов, попадание летучей золы даже в малых концентрациях в воду и почву приводит к загрязнению диоксинами, распространяется по пищевой цепи и представляет угрозу для здоровья человека.

 ЗАВОД GUODINGSHAN В ГОРОДЕ УХАНЬ (WUHAN), КНР

Предприятие Hanyang Guodingshan Waste to Energy Plant в городе Ухань (Wuhan), КНР, относится к новейшему поколению мусоросжигательных заводов для ТКО и работает по приципу «переработки» мусора в энергию. Завод соответствует внутренним стандартам КНР по контролю выбросов (Pollution Control Standards for Hazardous Wastes Incineration).

Примечательным фактом является то, что санитарно-защитная зона вокрут завода Guodingshan с момента его ввода в эксплуатацию постоянно снижалась. В 2009 году она была установлена в 1000 м, а затем — снижена до 400 м. В радиусе 500 метров вокруг завода живут тысячи людей. Это коррелирует с высказываниемями о безопасности проживания в непосредственной близости от современного МСЗ завода, неоднократно озвученными чиновниками и бизнесменами, заинтересованными в строительстве МСЗ заводов в Подмосковье и Татарстане.

Радиус 400 метров
В жилой зоне 3 (400 метров вокруг завода) почти половина жителей (более тысячи человек) сменили место жительства, потому что не могли постоянно терпеть неприятные запахи. 33 человека заболели раком дыхательных путей. Загрязнение воздуха, вызванное сжиганием отходов, спровоцировало заметное увеличение респираторных заболеваний.

Радиус 800 метров
По законодательству КНР, социальные объекты, в частности школы, должны находиться на расстоянии более 800 метров от МСЗ заводов. Тем не менее, внутри радиуса 800 метров находится два детских сада и одна начальная школа. В этой области проживает свыше 30 000 человек.

Радиус 1000 метров
В этой области находится станция водоподготовки Qinduankou, который снабжает район Hanyang питьевой водой. При попадании в воду летучей золы, диоксиновое поражение грозит десяткам тысяч людей.

 ГОЛЛАНДСКИЙ ОПЫТ

В Нидерландах годовой объем образующейся в процессе сжигания ТКО летучей золы составляет 79000-81000 тонн. Этот объем из года в год практически не меняется, так как количество сжигаемых отходов не менялось на протяжении последних 15-20 лет. Годовой объем «печной сажи» за последние годы несколько снизился и составляет около 3500 тонн (в 1999 году — почти 9 тысяч тонн).

Примерно половина (35000-40000 тонн) летучей золы в год используется в качестве наполнителя при производстве асфальта. Но поскольку зола образуется на протяжении всего года, а потребность в таком наполнителе имеется, в основном, только в летние месяцы, не вся летучая зола утилизируется при производстве асфальта. В процессе эксплуатации асфальтового покрытия токсичные вещества проникают в окружающую среду в результате выщелачивания. Исследования на эту тему не проводились.

Приблизительно 44000-46000 тонн летучей золы захоранивается в Нидерландах или экспортируется в Германию и захоранивается в старых соляных и угольных шахтах. Большая часть «печной сажи» также экспортируется в Германию.

При захоронении на полигонах зола упаковывается в большие полиэтиленовые мешки и складывается на отдельных зонах полигонов. Мешки пересыпаются песком или покрываются водой до заполнения пустот между мешками. Вода, которая заполняет пространство между мешками, вступает в контакт с летучей золой, что ускоряет процесс выщелачивания. Часть мешков в результате внешнего воздействия теряет герметичность, что также ускоряет процесс вымывания фильтрата.

Летучая зола, в смеси с отходами строительства и другими материалами (песок, камни), используется и при формировании отвалов на полигонах. Фильтрат летучей золы, содержащейся в таких отвалах, вымывается в низлежащие слои и легко вступает во взаимодействие с другими отходами.

Объем золошлака, образующегося на голландских МСЗ заводах, составляет приблизительно 1 200 000 тонн. Часть шлака используется в дорожном строительстве и для укрепления грунта на промышленных площадках. За последние годы объем золошлака, идущего на «рециклинг» при производстве дорожных работ, существенно снизился. Причиной стала растущая озабоченность по поводу негативного воздействия на окружающую среду золошлаковых отходов, применяющихся в дорожном покрытии. Как и в случае с летучей золой, вредные вещества легко вымываются из дорожного покрытия, полученно с использованием золошлака. Часть золошлаковых отходов вывозится на полигоны либо экспортируется для захоронения в других странах ЕС, в первую очередь — Германии.

В самой Германии перерабатывается около 50% золошлака (общий объем — около 3,7 млн. тонн). В свою очередь, из этих 50% почти половина (45%) используется в дорожном строительстве. Металлические отходы в составе золошлака подлежат повторному использованию на 57 МЗС заводах. Как мы уже отмечали, имеющиеся данные научных исследований по выщелачиванию СОЗ заставляют отказаться от положительной оценки такого рода рециклинга с точки зрения защиты окружающей среды (Источник: THE ROLE OF WASTE INCINERATION IN GERMANY. Dessau-Roßlau, 2008).

 ВЫВОДЫ

Результаты научных исследований позволяют сделать вывод о том, что применение сложных систем газоочистки в современных МСЗ не приводит к снижению общего объема ПХДД/ПХДФ, поступающих в окружающую среду, хотя модель диоксинового загрязнения и претерпела изменение. На дымовые газы теперь приходится 3% выбросов диоксинов, а остальные 97% — распространяются с летучей золой и другими твердыми продуктами сгорания.

Газообразные продукты сжигания -3%, смешанный зольный остаток - 97%

При захоронении золы на полигонах в результате выщелачивания токсичные вещества быстро распространяются. Аналогичные процессы происходят при повторном использовании золы и шлака в дорожном строительстве и в металлургии.

Более того, впрыскивание активированного угля в каталитическом реакторе, считающееся одним из самых эффективных средств газоочистки, может способствовать увеличению общего объема образующихся диоксинов благодаря усилению эффекта повторного образования (восстановления) диоксинов, то есть сами фильтры работают как «диоксиновая фабрика».

«Новые технологии», позволяющие добиться высокого качества газоочистки на выходе «из трубы», не делают МСЗ заводы нового поколения более безопасными. Зато теперь высокотоксичные продукты сжигания ТКО могут обнаруживаться в самых неожиданных местах, на значительном удалении от самих заводов.

Дмитрий Башков
Ульяна Гусева