Т.А. Акимова, A.П. Кузьмин, В.В. Хаскин
Экология. Природа - Человек - Техника
Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 343 с.

Глава 10. Экологизация производства

10.2. Проблемы отходности производства

Принципы малоотходных технологии. Экологизация и снижение природоемкости производства предполагают сокращение валового внесения в природную среду техногенных эмиссии. Сделать производство полностью безотходным невозможно. Задача вовсе не сводится к тому, чтобы устранить абсолютно все экологически отрицательные последствия производственных процессов. Ставить такую задачу равносильно намерению изобрести вечный двигатель второго рода - безэнтропийный. Условно безотходными могут быть только отдельные стадии технологического цикла производства. Тем не менее, существуют теории безотходных процессов (Зайцев, 1987; Кухарь, 1989) и отдельные положения, касающиеся этой проблемы.

Так, согласно определению, принятому на семинаре Европейской экономической комиссии ООН по малоотходной технологии (Ташкент, 1984), «безотходная технология - это такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле «сырьевые ресурсы - производство - потребление - вторичные сырьевые ресурсы* таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования».

Иногда, особенно в зарубежной литературе, употребляется термин «чистое производство», под которым понимают технологическую стратегию, предотвращающую загрязнение окружающей среды и понижающую до минимума риск для людей и окружающей среды. Применительно к процессам - это рациональное использование сырья и энергии, исключение применения токсичных сырьевых материалов, уменьшение количества и степени токсичности всех выбросов и отходов, образующихся в процессе производства. С точки зрения продукции чистое производство означает уменьшение ее воздействия на окружающую среду в течение всего жизненного цикла продукта от добычи сырья до утилизации (или обезвреживания) после использования. Чистое производство достигается путем улучшения технологии, применением ноу-хау и/или улучшением организации производства (Зайцев, 1987). Отметим, что эти определения не подразумевают возможности полной безотходности производства.

Создание малоотходных ресурсосберегающих технологий выдвигает ряд общих требований, направленных на качественное изменение производства. Это:

- комплексная переработка сырья с использованием всех его компонентов;

- интенсификация производственных процессов на основе их автоматизации, электронизации и роботизации; внедрение наукоемких, высокотехнологичных автоматизированных систем;

- цикличность и замкнутость материальных потоков при минимизации производственных отходов;

- уменьшение разделения технологического процесса на отдельные операции, сокращение числа промежуточных стадий перехода от сырья к конечному продукту; применение непрерывных процессов и сокращение времени технологических циклов;

- сокращение удельного потребления природных ресурсов и энергии, максимальная замена первичных ресурсов вторичными, рециркуляция побочных продуктов и отходов в основной процесс, регенерация избыточной энергии;

- применение комбинированных энерготехнологических процессов, обеспечивающих максимальное использование всего потенциала энергоресурсов;

- внедрение экологических биотехнологий на базе физико-химических и биологических процессов, обеспечивающих возможность использования или обезвреживания отходов путем доведения их до природного состояния;

- создание интегрированных технологий, охватывающих сферы природопользования, производства и потребления. Системный анализ производственных процессов с этих позиций позволяет определить пути создания технологий нового поколения.

Комплексная переработка сырья направлена не только на бережное расходование природных ресурсов, но и на уменьшение поступления отходов в окружающую среду и тем самым на предохранение ее от техногенных загрязнений. Предположим, что в добываемой руде содержатся полезные компоненты двух видов: Л и В. Если добывающее и перерабатывающее предприятия нацелены на извлечение только компонента Л, то компонент В попадает в отвалы и станет загрязнителем окружающей среды. В соответствии с традиционной технологией «конца трубы» (Голуб, Струкова, 1995) мы имеем две возможности (рис. 10.3, А): захоронить отвалы либо их переработать. По этой схеме компонент В не используется совсем либо процесс его извлечения выпадает из основного производства. Альтернативой служит комплексная переработка сырья, требующая кардинального изменения технологии (рис. 10.3, Б). После извлечения всех полезных компонентов пустая порода также может быть использована, например, в строительстве.

Примером комплексного использования сырья в химической промышленности может служить переработка апатитонефелиновой руды Кольского месторождения. Она содержит 13% апатита, 30-40% нефелина, известняк и другие минералы. Добытая руда методом флотации разделяется на апатитовый и нефелиновый концентраты. Из апатита получают фосфорную кислоту и фосфорные удобрения, фториды, фосфогипс и другие вещества, а из нефелинового концентрата и известняка - глинозем, соду, поташ и портландцемент. Данная технология не имеет аналогов в мировой практике, в других странах глинозем для производства алюминия получают только из бокситов.

Рис. 10.3. Альтернативные варианты переработки комплексных руд:

А - традиционная технология; Б - малоотходная технология

Малоотходные технологии в перерабатывающей промышленности основываются на производственных циклах, в которых сокращено число технологических переходов от сырья к готовой продукции, повышена замкнутость материальных потоков и, соответственно, уменьшен коэффициент вредного действия.

Первыми примерами таких комплексных технологических процессов, проектируемых под конкретные изделия или продукцию и работающих по схеме «мономер - изделие», «материал - конструкция», «сырье - продукция», когда число раздельных операций минимизируется, являются технологии роторных линий, порошковой металлургии, гибких автоматизированных линий «материал - агрегат», термофронтального синтеза материалов. В этих случаях получены и наиболее качественная продукция, и наиболее серьезные результаты в области создания энергосберегающих и малоотходных процессов. Технологии, основанные на сокращении числа технологических переходов и повышении их информационного содержания, так называемые наукоемкие технологии, могут быть отнесены к технологиям первого рода с точки зрения их экологического соответствия. Они предусматривают изменение организации производственных комплексов на уровне элементарных технологических структур и определяют стратегическое направление технологического перевооружения. Правда, они требуют и наибольших вложений и времени.

Другое направление связано с разработкой технологий, при которых обеспечивается рециркуляция, или возвращение побочных продуктов, в основной процесс или сопутствующую технологию. Примеры таких решений - технологий второго рода - процессы регенерации и рекуперации минеральных масел, смазочно-охлаждающих жидкостей, регенерации и коррекции отработанных травильных растворов и электролитов гальванического производства. Важной особенностью этих технологий является то, что, осуществляя коррекцию растворов, возвращая в основной процесс необходимые компоненты и регенерируя из водных растворов медь (а это важно для экологической безопасности стоков), они функционируют так, что без них основной технологический процесс невозможен. Другой пример технологий второго рода - это утилизация избыточного активного ила городских очистных сооружений для целей строительства, сельского хозяйства и извлечения некоторых ценных химических продуктов. В частности, для его гомогенизации и переработки предложен способ, в результате применения которого может быть получено жидкое топливо с калорийностью на уровне спирта. К этому роду технологий относится также получение биогаза на основе переработки отходов животноводства и другой биогенной органики.

К технологиям третьего рода могут быть отнесены операции и процессы, в которых депонированные отходы производства, обладающие потенциалом загрязнения, используются для вторичной переработки и получения новых продуктов с пониженной химической активностью. Примеры: изготовление керамзита, шлакоблоков и других строительных и облицовочных материалов с использованием отходов добывающей промышленности, металлургии и химии; переработка автопокрышек в стойкие сантехнические изделия и т.п.

Наиболее насущные потребности связаны с внедрением технологий рециркуляции и переработки отходов (технологий второго и третьего рода). Одновременно с этим необходимо определить стратегию технологического перевооружения производственных комплексов и возможности перехода к технологиям первого рода.

В черной металлургии разработана технология получения железа непосредственным восстановлением рудных концентратов водородом или синтез-газом (смесь Н₂ и СО). Благодаря новому методу устраняются стадии доменного передела, производства кокса и агломерата. В результате при производстве стали по этой технологии расход воды уменьшается в 2-3 раза, резко сокращаются объемы сточных вод, выбросы в атмосферу пыли, диоксида серы и других вредных веществ.

Одним из характерных примеров малоотходных технологических процессов служит порошковая металлургия, которая позволяет создавать материалы и изделия с особыми, уникальными свойствами, иногда вообще недостижимыми при других технологиях. Если при металлообработке литья и проката уходит в стружку до 60-70% металла, то при изготовлении деталей из пресс-порошков потери материалов не превышают 5-7%. Преимущества порошковой металлургии выражаются не только в экономии черных металлов и других дефицитных материалов, но и в снижении загрязнения атмосферы и воды, характерного для обычных металлургических процессов.

В машиностроении основой малоотходных технологий являются процессы обработки металлов без снятия стружки. Это точное литье, методы обработки давлением (прокатка, дорнование), листовая и объемная холодная штамповка и др. Эти технологии позволяют значительно повысить коэффициент использования металла (КИМ) - один из основных критериев совершенства технологии. Естественно, что увеличение КИМ дает не только большие технико-экономические выгоды, но и во многом определяет экологический уровень производства в связи с уменьшением образования отходов.

Оценки отходности технологий. В настоящее время нет универсальной методики определения отходности, но в ряде отраслей промышленности такие оценки применяются. Так, в угольной отрасли коэффициент безотходности производства (Протасов, Молчанов, 1995):

К_б = 0,33(К_т + К_ж + К_г)                  (10.3)

где К_т, К_ж,, К_г - коэффициенты использования соответственно породы, образующейся при горных работах, забираемой при добыче угля воды и пылегазовых отходов.

В химической промышленности применяют такую оценку (Зайцев, 1987):

К_б = f*К_м*К_эн*К_эк               (10.4)

где К_б - коэффициент безотходности (0 < К_б < 1);

f - коэффициент пропорциональности;

К_v - коэффициент использования материальных ресурсов;

К_эн - коэффициент использования энергетических ресурсов;

К_эк - коэффициент соответствия экологическим требованиям. В соответствии с данной методикой и в зависимости от мощности предприятий производства относят к категории малоотходных, если К_б не менее 0,8-0,9, и к безотходным, когда К_б более 0,95-0,98. Кроме количественной оценки отходов необходимо учитывать также их токсичность и опасность для окружающей среды.

Для оценки экологичности химических процессов используют и так называемый обобщенный сырьевой фактор:

                 (10.5)

где Q_i - теоретический расход i-го компонента, рассчитанный по уравнению химической реакции;

Q’_i - фактический расход этого же компонента.

Показатели К_б и f имеют смысл коэффициентов полезного действия (КПД). С позиций экологизации производства для энергетики, промышленности и транспорта необходим еще один критерий - коэффициент вредного действия (КВД), вычисляемый как отношение ущерба, наносимого окружающей среде и реципиентам, к общему результату деятельности. КВД вносит существенную экологическую поправку к КПД:

КПД_н = КПД_б(1-КВД)             (10.6)

где КПД_н - «чистый», нетто-КПД; КПД_б - брутто-КПД.

Принципиальное отличие КВД от КПД заключается в том, что последний всегда меньше единицы, тогда как КВД может быть и больше единицы. Это означает, что затраты на эксплуатацию приносят больше вреда, чем пользы. Если правильно считать, это бывает часто. Использование «чистого» КПД изменяет многие оценки эффективности. Например, эффективность энергетических устройств - целых ТЭЦ, котлов, турбоагрегатов, двигателей - всегда определяется отношением выхода продукции (тепла, электроэнергии, механической работы) к расходу топлива. Но давно уже пришло время оперировать более сложной схемой, включающей природоемкость. Если экономисты-энергетики кроме расхода топлива станут считать расход кислорода, чистой воды и занимаемой под шлакоотвалы земли, а из продукции тепла и электроэнергии вычитать продукцию углекислого газа, вредных веществ, загрязняющих воздух, воду и землю, и ущерб, наносимый здоровью людей, то КПД, а с ним и показатели рентабельности существенно уменьшатся. КВД может стать важным критерием природоемкости, а его снижение - критерием экологизации производства.

Переработка отходов. Ресурсосберегающие и малоотходные технологии способствуют оздоровлению окружающей среды. Но многие действующие предприятия не могут быть быстро переведены на малоотходные схемы производства. Существующие на них технологии высокоотходны, поэтому остается актуальной задача создания эффективных систем улавливания, утилизации и переработки газообразных, жидких и твердых отходов.

Многие вещества и материалы, которые относят к отходам, на самом деле таковыми не являются. В большинстве случаев они могут служить сырьем для других производств и использоваться для разных нужд. Еще Д.И.Менделеев отмечал: «В химии нет отходов, а есть лишь неиспользованное сырье». Он же указывал, что главная цель передовой технологии - получение полезного из бесполезного. Поэтому отходы производства и потребления следует рассматривать как вторичные материальные ресурсы (BMP), которые можно повторно использовать. Использование

BMP - одно из главных направлений повышения эффективности производства является одновременно важнейшим условием уменьшения промышленного загрязнения окружающей среды.

Как уже отмечено раньше, ситуация с отходами относится к числу наиболее сложных экологических проблем. Для утилизации отходов необходимо преодолеть ряд организационных и технологических трудностей. Главная организационная проблема - раздельный сбор и сортировка отходов, особенно твердых бытовых отходов (ТБО). Главные технологические трудности связаны с высокой энергоемкостью переработки отходов и вредным воздействием ее на окружающую среду, с обеспечением необходимой чистоты конечных продуктов.

Основной метод переработки ТБО в мире - сжигание их в топках, близких по конструкции к топкам энергетических установок. При таком варианте низкотемпературного сжигания с отходящими газами выносится много неразложившихся вредных соединений и продуктов их взаимодействия. Поэтому мусоросжигательные заводы становятся дополнительными источниками загрязнения атмосферы, а количество отходов, требующих захоронения, достигает 25% от массы исходных ТБО.

Большую перспективу имеют комбинированные технологии, в которых утилизация отходов происходит попутно. Так, в Московском институте стали и сплавов и институте «Стальпроект» разработана технология высокотемпературного сжигания отходов на базе металлургического агрегата жидкофазного восстановления железа. Преследовалась, прежде всего, цель создать печь, которая позволит, минуя промежуточные технологические стадии, получать чугун без использования дорогостоящего кокса из недефицитных сырьевых материалов. В процессе испытания агрегата оказалось, что он может работать на любом углеводородном топливе и с успехом использоваться для сжигания твердых органических бытовых и промышленных отходов. При этом выбросы в атмосферу содержат в несколько раз меньше загрязнителей, чем на мусоросжигательных заводах, использующих зарубежные технологии. Такие предприятия нового поколения, работающие по малоотходной технологии, не только избавляют город от мусора, но и могут вырабатывать промышленный пар и горячую воду для теплоснабжения или получения электроэнергии (за счет утилизации тепла дымовых газов), а также получать металл, стройматериалы и другие BMP.

Отходы промышленного производства весьма разнообразны. Их можно разбить на две группы - основные и побочные. К основным относятся отходы материалов, используемых непосредственно для изготовления деталей, машин, приборов и другой продукции: металлические и металлосодержащие отходы (стружка, окалина, шламы, шлак), твердые органические отходы (дерево, пластмасса, резина). Побочные отходы образуются в ходе технологических процессов. Они могут быть твердыми (абразивы, зола, пыль), жидкими (минеральные масла и нефтепродукты, эмульсии, осадки сточных вод) и газообразными (отходящие газы). Кроме того, многие техпроцессы сопровождаются выделениями тепла, т.е. энергетическими отходами.

Разработанные в настоящее время методы и технологии позволяют утилизировать практически все виды промышленных отходов. Их обработку целесообразно проводить непосредственно в местах образования, что снижает безвозвратные потери, сокращает затраты на транспортировку. Существует два пути утилизации металлических отходов: без переплавки (деловые отходы) и с переплавкой (металлолом и стружка). Основные операции первичной обработки металлоотходов - сортировка, разделка и механическая обработка, включающая рубку, резку, пакетирование и брикетирование. Переработку жидких отходов осуществляют преимущественно путем рекуперации и регенерации, т.е. извлечения ценных компонентов из отходов и восстановления исходных свойств отработанных материалов.

Существуют также различные методы утилизации промышленных газообразных отходов и переработки их в товарную продукцию. Например, в сернокислотном производстве применяют различные методы утилизации сернистых газов. Один из них, кислотно-каталитический метод, основан на окислении оксида серы в растворе серной кислоты в присутствии ионов марганца:

                   Mn²⁺

2SO₂ + О₂ + 2H₂О ¾¾¾® 2H₂SО₄

                  H₂SO₄

В результате получается разбавленная серная кислота, используемая в производственном цикле предприятия. При внедрении технологии поглощения диоксида серы из остаточных газов производство серной кислоты становится не только малоотходным, но и получает дополнительный источник сырья.

Наряду с использованием вторичных материальных ресурсов имеются большие возможности в использовании вторичных топливно-энергетических ресурсов. Уже многие годы применяется утилизация отходящих дымовых газов металлургического оборудования и топок для подогрева воды и воздуха. Она осуществляется с помощью теплообменных регенераторов и рекуператоров. Разрабатываются новые, более совершенные способы утилизации тепла и установки для их реализации. Тем не менее, фактически используется лишь незначительная доля возможного, экономически оправданного уровня потребления вторичных энергоресурсов.

Современный уровень развития техники, имеющиеся технологии пока не позволяют утилизировать все отходы. Поэтому для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов создаются специальные полигоны. Требования к устройству полигонов и порядок захоронения на них отходов регламентируются соответствующими нормами и правилами. Полигоны помогают лишь частично решать проблему, так как отходы в принципе не могут быть ликвидированы без глубокого преобразования входящих в них веществ и материалов.

Новосибирским институтом «Гипроцветмет» предлагается на основе реализации концепции ресурсовозобновляющих технологий создавать системы нового поколения - многопрофильные комбинаты «Экополигон» (Семенов, Максимов, 1995). По расчетам авторов проекта, такие комбинаты способны перерабатывать все виды антропогенных отходов данного региона (города), причем от 80 до 100% из них превращаются во «вторичные природные ресурсы и биосферные вещества». Заводы ресурсовозобновляющих технологий имеют узлы геохимической, физико-химической и биотехнологической переработки отходов производства и потребления. На завершающей стадии переработки формируется биосистема, в которой искусственно вырабатываются вещества, пригодные для включения в природный круговорот. Вторичные ресурсы могут применяться в промышленности и в городском хозяйстве в качестве стройматериалов, металлолома, биотоплива и других полезных продуктов. Предлагаемый вариант решения проблемы отходов помимо несомненного экологического эффекта сулит большие экономические выгоды, несмотря на значительные капиталовложения в строительство экополигонов.

Проблемы антропогенных отходов относятся к числу важнейших проблем глобальной экологии. В «Повестке дня на XXI век», принятой Конференцией ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро, поставлена задача к 2000 году снизить количество опасных отходов на 30%. Однако, судя по материалам конференции «Рио-92 + 5» (1997 г.), эта задача вряд ли будет выполнена: в поступившей от 26 стран информации снижение суммарного количества накопленных высокотоксичных отходов составило за 4 года только 5,5%.

Минприроды России разработана государственная программа «Отходы» («Государственный доклад...», 1996). Основная цель этой программы - стабилизация, а в дальнейшем и сокращение загрязнения окружающей среды и экономия природных ресурсов за счет максимально возможного вторичного вовлечения отходов в хозяйственный оборот. Программа предусматривает решение всех освещенных в этом параграфе проблем, а также целенаправленное распределение финансовых и иных средств, необходимых для утилизации и удаления отходов, вовлечения вторичных ресурсов в хозяйственный оборот.

До последнего времени мало внимания уделялось отходам как объекту информационного, технологического и экономического описания. Для информационного обеспечения программы должна быть разработана государственная система учета отходов, включающая формирование банков данных по хранилищам отходов, технологиям их переработки, сведениям об отечественном и зарубежном научно-техническом потенциале в этой области, о конъюнктуре рынка отходов и пр. Программой предусматриваются также формирование эффективного экономического механизма и правового регулирования управления отходами, организация системы мониторинга отходов, разработка мер по экологически безопасному их размещению.