Утилизация и ликвидация отходов производства и потребления. Техногенные ресурсные циклы.

Классификация отходов. В процессе производства, хозяйственной деятельности, в быту образуются отходы. Ежегодно в биосферу, в основном в литосферу, поступает до 30 млрд. т всех видов отходов. Их большое количество связано с несовершенством современных технологий. По некоторым данным, на производство конечной продукции используется не более 7% добываемого сырья. На каждого жителя Земли извлекается до 100 т породы в год. Анализ тенденций развития современного хозяйства показывает, что число отходов удваивается каждые 10…12 лет. Проблема утилизации и ликвидации отходов для современной цивилизации – одна из самых важных проблем выживания.

Утилизация и ликвидация отходов связана с их состоянием, составом, характеристиками и токсичностью. В зависимости от их состояния отходы делятся на твердые (отходы металлов, пластмасс, пыли минерального и органического происхождения, шлак, бумага, ткани и пр.) и жидкие (шламы, осадки сточных вод после их обработки и пр.).

По гигиеническому принципу, связанному со степенью опасности, вызванной токсичностью, отходы делятся на шесть категорий (табл. П.3.2 Приложения 3). Более 50% всех отходов относятся к категории I, а примерно 10% — к категориям V и VI.

Для решения проблемы утилизации и ликвидации отходов необходимо рассмотреть характер протекающих технологических процессов, следствием которых является образование отходов. Это рассмотрение базируется на изучении техногенных ресурсных циклов (ТРЦ).

Классификация ТРЦ. В основу классификации видов ТРЦ положены основные этапы жизненного цикла продукции (ЖЦП).

Под ЖЦП понимают временной период, начинающийся с момента обоснования проведения исследований, связанных с созданием продукции, и заканчивающийся переводом ее в отходы потребления в результате утраты ею потребительских свойств из-за физического или морального износа, а также после определенного срока хранения. В соответствии с таким пониманием ЖЦП это время можно разделить на четыре основных этапа: выявление природного ресурса, изготовление продукции, эксплуатация продукции или ее потребление, оперирование со вторичными материальными ресурсами, т.е. отходами производства и потребления (рис. 4.1).

Исходя из того, каким образом оперируют с отходами производства, можно выделить три вида ТРЦ: сквозной, оборотный и циркуляционный.

Сквозной технологический ресурсный цикл (СТРЦ). Исторически сложилось так, что ТРЦ строились по сквозной схеме. На входе они следовали принципу одноразового использования ресурсов, т.е. каждый раз, с началом нового цикла воспроизводства, в него вовлекались новые природные компоненты. Этот цикл был открытым и на выходе, так как отходы производства выбрасывались в окружающую среду. Таким образом, сквозной ТРЦ – это цикл, в котором вовлекаемые природные ресурсы, не входящие в состав предметов потребления, не используются вторично.

Рис. 4.1 Структурная схема ТРЦ

Накапливаясь в биосфере, отходы производства изменяют биогеохимические циклы и тем самым пагубно влияют на экологическую обстановку на локальном, региональном и глобальном уровнях.

Основными мероприятиями по экологизации СТРЦ на этапах производства продукции являются:

§ на первом этапе, этапе выявления природного ресурса, – переход к широкому использованию возобновляемых ресурсов, особенно энергетических;

§ на втором этапе, этапе изготовления продукции, – переход на ресурсосберегающие технологии (РСТ);

§ на третьем этапе, этапе оперирования с отходами производства, это:

o уничтожение отходов путем сжигания (при этом практически полностью теряются вторичные материальные ресурсы);

o очистка отходов загрязнений и их складирование;

o захоронение токсичных отходов на специальных полигонах;

o очистка выбросов от экологически опасных веществ с последующим их надежным захоронением;

o выделение и перенос загрязняющих примесей из одного места в другое.

Оборотный техногенный ресурсный цикл (ОТРЦ). В этом цикле выполняется улавливание веществ, участвующих в технологическом процессе и обычно попадающих в отходы, для их повторного использования в данном технологическом процессе. Здесь оборот веществ следует рассматривать как оборот непосредственного сырья и технологических сред, в качестве которых наиболее часто используют воду и атмосферный воздух. Поскольку объемы технологических сред значительно превышают объем сырья, то в первую очередь следует обеспечивать оборот первых.

Наиболее типичным и широко используемым примером такого цикла является оборотное водоснабжение, т.е. повторное использование большей части воды (после ее очистки и кондиционирования или без таковых) без поступления ее в природные циклы.

Если в биогеохимических циклах круговорот энергии не превышает 0,24%, то для ТРЦ это значение гораздо больше и можно условно говорить о круговороте энергии в ОТРЦ. В целом оборотные энергетические ресурсы (ОЭР) – это определенный запас энергии в отходах производства в виде химически связанной теплоты, физической теплоты и потенциальной энергии избыточного давления. В соответствии с этим выделяют три направления использования ОЭР:

§ топливное – применение горючих ОЭР непосредственно в качестве топлива;

§ тепловое – применение физического тепла непосредственно или в специальных установках для выработки электроэнергии или холода;

§ силовое – применение избыточного давления в турбинах, объединенных с компрессорами, насосами, вентиляторными установками и т.п., или для выработки электроэнергии.

Циркуляционный техногенный ресурсный цикл (ЦТРЦ). Этот цикл объединяет процессы, совершаемых как бы по спирали в некоторой последовательности, при этом определенный участок спирали представляет собой жизненный цикл продукции, включая ее производство, потребление и переработку отходов производства и потребления во вторичное сырье, которое затем полностью или частично запускается в жизненный цикл, но другой продукции.

К преимуществам ЦТРЦ перед другими видами ТРЦ относятся:

§ концентрация многих полезных компонентов во вторичных материальных ресурсах (BMP), представляющих совокупность отходов производства и потребления, во много раз выше, чем в первичном природном сырье, что позволяет эффективно их перерабатывать в комплексное вторичное сырье;

§ BMP, как правило, образуются на урбанизированных территориях, обеспеченных транспортными магистралями и предприятиями, способными осуществлять их эффективную переработку.

Широкая переработка BMP, с одной стороны, улучшает экологическую обстановку в регионе, а с другой – позволяет сберечь для будущих поколений запасы природных ресурсов, особенно невозобновляемых, и предотвратить разрушение природных ландшафтов, обладающих естественным саморазвитием.

Поскольку ЦТРЦ замкнуты не полностью, т.е. имеют место потери вещества, то для повышения их экологичности могут быть использованы методы, характерные для СТРЦ.

Твердые отходы, возникающие непосредственно при производственной деятельности человека, всегда можно рассматривать, как потенциальное вторичное сырье. Поэтому на первом этапе их принято делить на отходы производства и отходы потребления.

Отходами производства следует считать остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образовавшиеся при изготовлении продукции и полностью или частично утратившие свои потребительские свойства, а также продукты физико-химической переработки сырья, получение которых не являлось целью производственного процесса и которые в дальнейшем могут быть использованы как готовая продукция после соответствующей обработки или как сырье для переработки.

Отходами потребления считаются различного рода изделия, комплектующие детали и материалы, которые по тем или иным причинам непригодны для дальнейшего использования. Отходы потребления можно разделить на промышленные и бытовые. К промышленным относятся, например, металлолом, вышедшее из строя оборудование, изделия технического назначения из резины, пластмасс, стекла и др. Бытовыми отходами являются пищевые отходы, изношенные изделия бытового назначения (одежда, обувь и пр.), использованные изделия различного рода (упаковки, стеклянная и др. виды тары) и др.

Все виды твердых отходов производства и потребления по возможности использования можно разделить, с одной стороны, на вторичные материальные ресурсы, которые уже перерабатываются или переработка которых планируется, и, с другой — на отходы, которые на данном этапе развития экономики перерабатывать нецелесообразно и которые неизбежно образуют безвозвратные потери.

Основными направлениями оперирования промышленными твердыми отходами являются:

§ захоронения на полигонах и свалках;

§ переработка конкретных твердых отходов по заводской технологии;

§ совместное сжигание отходов химических производств с городским мусором;

§ пиролиз и раздельное сжигание в специальных печах;

§ использование отходов химических производств как готового материала для других технологических процессов.

Захоронение твердых отходов производств на полигонах и свалках, которое пока наиболее широко распространено у нас, можно рассматривать лишь как временную меру их утилизации, так как большая часть этих отходов подвергается разложению чрезвычайно медленно. При этом методе из сферы возможного полезного использования изымаются тысячи тонн ценного вторичного сырья.

Сложившаяся в РФ система обезвреживания ТБО основана на приоритетном захоронении большей части отходов на полигонах и неорганизованных свалках. На свалки нередко вывозят и токсичные отходы. При отсутствии необходимой гидроизоляции фильтрат с территорий полигонов и свалок проникает в почву, подземные воды, поверхностные водные объекты, отравляя источники водоснабжения. Из общего числа полигонов только отдельные отвечают санитарным требованиям. Большая часть сооружений для обезвреживания ТБО представляет значительную эпидемиологическую опасность.

Переработка твердых отходов производств по заводской технологии – наиболее оптимальный метод их использования. При всем разнообразии способов переработки общая схема процесса и применяемого при этом оборудования может быть представлена следующим образом:

- сортировка отходов (отделение посторонних включений, таких как ветошь, остатки бумажной и деревянной тары, металлических предметов и т.д.);

- измельчение (в результате одно- или двухстадийного измельчения материал приобретает размеры, достаточные для того, чтобы можно было осуществлять его дальнейшую переработку);

- промывка от загрязнений, повторное отделение от посторонних примесей;

- сушка;

- cмешивание (при необходимости) со стабилизаторами, наполнителями и другими ингредиентами и гранулирование;

- смешивание гранулята с товарным продуктом или переработка его в изделия

(характер шестой стадии полностью обусловлен тем, какого рода отходы проходили предварительную обработку, часто гранулят используют в качестве наполнителя при производстве строительных материалов или в дорожном строительстве).

Для планирования переработки твердых бытовых отходов (ТБО) нужно знать их состав. Содержание компонентов различается по городам, изменяется состав и во времени. В среднем в РФ состав ТБО таков (в % по массе): бумага – 30…40%; пищевые отходы – 30…40%; металлы – 2…4%; дерево – 1,5…3,0%.

Cжигание. Динамика изменения состава ТБО очень важна. Так, по мере роста содержания бумаги ТБО становится легче сжигать. Главными недостатками сжигания является высокая стоимость, а также опасность вторичного загрязнения ОС (в частности, атмосферы) токсичными веществами (например, диоксинами и фуранами). В ряде промышленно развитых стран приняты законы, запрещающие строительство новых мусоросжигательных заводов.

На сегодня сжигание – основной метод утилизации самого крупнотоннажного твердого отхода, образующегося в крупных городах, – осадка очистных сооружений. Чтобы подготовить эти отходы к сжиганию, их сгущают и обезвоживают, применяя для этого значительные количества дорогостоящих химических веществ (флокулянтов и коагулянтов) и самое разнообразное оборудование (например, вакуум-фильтры, центрифуги). Иногда в процессе подготовки осадка к сжиганию его смешивают с ТБО и затем уже сжигают смесь. Осадок городских очистных сооружений содержит значительное количество органических веществ (именно этим объясняется возможность его использования в качестве топлива).

Компостирование применяют при высоком содержании в ТБО пищевых отходов. Компостирование – биохимический процесс, осуществляемый благодаря жизнедеятельности так называемых аэробных микробов (термофильных микроорганизмов). Эти микробы выделяют много тепла, в результате чего ТБО разогреваются до 70°С. При этом болезнетворные микробы гибнут, сырье «перегорает», образуется компост. В естественных условиях этот процесс длится месяцами. На заводах, где измельченные ТБО постоянно перемешиваются, чтобы микробы имели требуемый им избыток воздуха, компостирование заканчивается за 2…3 дня. Но при снижении содержания пищевых отходов процесс резко замедляется и становится неэффективным. А снижение доли пищевых отходов в ТБО до менее 20% делает невозможным приготовление из них компоста.

Общество уже не может позволить себе выбрасывать миллионы тонн сырья: бумаги, пластмассы, металла. Вовлечение в оборот бумаги, находящейся в отходах может сохранить лес на значительных площадях. Утилизация твердых отходов является проблемой, сочетающей в себе элементы экологии, экономики, санитарии и социологии.

Разрабатываемые методы утилизации требуют создания новых технологий.

Вопросы для самоконтроля по теме №4.

1. Охарактеризуйте строение литосферы и укажите наиболее интенсивные техногенные воздействия на нее.

2. Что такое почвенный покров? Его строение и особенности загрязнения.

3. Укажите основные факторы, влияющие на деградацию почвы.

4. Что такое пестициды и для чего их используют?

5. Укажите стадии образования отходов производства и потребления, а также особенности их утилизации и ликвидации.

6. Приведите классификацию техногенных ресурсных циклов.

7. В чем состоит концепция малоотходного производства?

8. Перечислите и кратко охарактеризуйте методы переработки твердых бытовых отходов (ТБО).

9. Почему недопустимо сжигание мусора на неконтролируемых свалках? Чем опасны диоксины, содержащиеся в продуктах сгорания мусора?