В настоящее время промышленность и коммунальные структуры во всем мире используют, в основном, два способа обезвреживания отходов:

– биохимочистку сточных вод (БХО);

– термическое обезвреживание (ТО) отходов в пламени.

Первая технология способна обезвреживать разбавленные (0,1% вес) растворы биологически окисляемых веществ (т. е. малотоксичных). Преимущество БХО – освоенность и отсутствие ограничений по единичной мощности сооружений.

Технология ТО практически не имеет ограничений по составу отходов, но энергоемка, и единичная мощность печи, работающей на промышленных отходах, до 10 т в час. Недостатком ТО, резко снижающим его экологическую эффективность, является превращение части отходов и азота воздуха в токсичные продукты: термические и топливные оксиды азота, монооксид углерода, канцерогены (бензапирен, диоксины и др. соединения). Образование особотоксичных диоксинов, в частности 2, 3, 7, 8-тетрахлордибензопара-диоксин, сопутствует сжиганию хлорсодержащих соединений. Пламя – химический реактор, в котором стихийно образуется огромное количество продуктов, в том числе и чрезвычайно токсичных. Это заставляет все печи сжигания промышленных отходов и бытового мусора дооборудовать системами доочистки дымовых газов: узлами массопередачи, каталитического восстановления, окисления, адсорбции и др. Шлаки печей сжигания содержат указанные выше токсичные отходы и подлежат захоронению в специальных условиях.

Взамен ТО предлагается метод глубокого аэрозольного каталитического обезвреживания отходов. Процесс проходит в аэрозоле катализатора, не содержащего благородных металлов, при температуре 550–600°С. Благодаря этому снижаются энергозатраты; отпадает необходимость очистки отходящих потоков от токсичных продуктов, т. к. в условиях процесса они не образуются; упрощается технология и аппаратура по утилизации тепловой энергии. Он позволяет получить термодинамически устойчивые нетоксичные продукты из отходов любого агрегатного состояния (твердые, жидкости, пастообразные, газы), имеющих в своем составе широкий спектр элементов (С, Н, О, Cl, N, Ni, Co, Cu, Na, Ca, К, Mn и др.). Кинетика процесса управляется выбором температуры, соотношением реагентов, катализатором.

Управление составом продуктов реакции достигается и смещением константы равновесия путем изменения фазового состояния продуктов реакции.

В качестве катализаторов могут применяться известные (не на основе благородных металлов) каталитические активные материалы, металлы и их оксиды, соли в мелкодисперсном состоянии.

В реакторе при температуре 450–600°С протекают химические превращения, обеспечивающие получение термодинамически устойчивых соединений с высокой глубиной конверсии.

Окисление органических соединений:

RH + О2 = СО2 + Н2О

Обезвреживание азотсодержащих соединений:

RNH + О2 = СО + Н2 + N2 + СО2 + Н2О
СО + Н2 + О2 = СО2 + Н2О

Обезвреживание галоидсодержащих соединений:

RHCI + О2 + СаСО3 = СО2 + Н2О + СаСl2
RHF + О2 + СаСО3 = СО2 + Н2 + CaF2

Катализатор не отравляется любыми минеральными примесями, кроме фтора и ртути.

Значение констант скорости приведенных реакций находятся в интервале 2,3х10¹⁸ – 1,6х10²⁰. Низкая температура процесса исключает образование термических оксидов азота. Топливный азот не дает оксидов благодаря ступенчатости процесса окисления. Галоиды и фосфор полностью переходят в твердую фазу, исключая образование токсичных соединений.

За последние годы отработан режим утилизации более 120 реальных стоков, а также активного ила (после обезвоживания до 20% влажности) и городского мусора после сортировки и измельчения.

Полученные результаты оказались возможными благодаря использованию аэрозольного катализа. Его отличительные черты:

– применение мелкодисперсных (менее 0,1 мкм) каталитически активных частиц (без носителя);

– наличие в зоне реакции постоянного пылевого облака (аэрозоль);

– создание необходимой поверхности и «структуры» катализатора за счет размера частиц в аэрозоле и их концентрации в облаке;

– обеспечение равнодоступности каталитически активной поверхности.

Применение аэрозольного катализа обеспечивает:

– увеличение активности катализатора;

– отсутствие внутридиффузионных стадий реакций;

– резкое уменьшение количества катализатора;

– упрощение каталитической системы;

– повышение прочности и термостойкости катализатора;

– возможность регенерации катализатора.

Опытная установка обезвреживания отходов по технологии аэрозольного катализа эксплуатируется в течение 3-х лет. Создаются новые стационарные установки производительностью до 6 т/час и создана передвижная установка на базе автоприцепа.

В городском хозяйстве передвижные установки найдут применение в обезвреживании небольших количеств отходов: больниц, отстоев емкостей бензозаправочных станций, бумажной и полимерной тары, складов различной продукции и на других объектах. Производительность передвижных установок – 50–400 кг отходов в час. Стационарные установки могут работать на промышленных объектах. Их производительность может быть 0,05–6,0 т/час и более. Мусороперерабатывающие заводы, построенные с использованием аэрозольной технологии, можно размещать вблизи и даже внутри жилых массивов.