Глава 1. Безотходные или чистые производства – основа промышленной экологии

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Омский государственный технический университет”

 

О.А. Федяева

 

 

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

Конспект лекций

 

ОМСК - 2007

УДК 62-784.43-1/-9 (075)

ББК 51.21я73

Ф 35

 

 

Рецензенты:

О. А. Голованова, канд. хим. наук, доцент кафедры неорганической химии Омского государственного университета В. А. Мухин, канд. техн. наук, профессор кафедры неорганической химии Омского государственного университета

 

Федяева О.А.

Ф 35. Промышленная экология: Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - 145 c.

 

 

В данном учебно-методическом материале изложены основные принципы промышленной экологии, безотходных или чистых производств, примеры реализации безотходной технологии в различных отраслях промышленности. Большое внимание уделено проблемам защиты биосферы (атмосферы, гидросферы, литосферы) от выбросов промышленных предприятий.

 

 

© Федяева О. А., 2007

© Омский государственный

технический университет, 2007

Глава 1. Безотходные или чистые производства – основа промышленной экологии

«В химии нет отходов, а есть неиспользованное сырьё».

Д. И. Менделеев

1.1. Интенсификация хозяйственной деятельности общества и масштабы негативного воздействия промышленного производства на окружающую природную среду

Анализ развития производств и динамики потребления сырья и образования отходов привели к выводу о том, что дальнейшее развитие производств (и общества в целом) не может осуществляться без учёта экологических ограничений и требует принципиально нового подхода. Так, объём мирового промышленного производства увеличивается по экспоненциальному закону. Количество перерабатываемого сырья и образующихся при этом отходов тоже возрастает экспоненциально. А это означает, что человечество всё больше работает на производство отходов. Только около 1-2 % сырьевых материалов переходит в конечную продукцию, а остальные 98-99 % превращаются в отходы. Расходы на обезвреживание и переработку отходов стали тоже возрастать экспоненциально и сейчас составляют 8-10 % стоимости производимой продукции.

Идея многократного, цикличного, экономного использования материальных ресурсов уже не только широко обсуждается во всём мире, но и в большинстве стран нашла широкое практическое применение. Так, в развитых странах степень повторного использования свинца составляет не менее 65 %, железа — 60, меди — более 40, никеля - 40, алюминия — 33, цинка 32 % и т.д. В нашей стране эти цифры значительно скромнее. За счёт использования вторичного сырья производится 30 % стали и 20 % цветных металлов. Энергоёмкость производства алюминия из вторичного сырья в 20 раз, а стали в 10 раз ниже, чем энергоёмкость их производства из первичного сырья. Анализ использования сырьевых материалов по шести важнейшим отраслям промышленности (чёрная и цветная металлургия, добыча и переработка угля, производство удобрений, химических продуктов и строительных материалов) показал, что в нашей стране 30 лет назад в готовую продукцию переходило всего 1-2 % используемых сырьевых материалов, 20 лет назад от 5-10 %, 5 лет назад — 28,6 %. В конечном итоге основным для промышленного производства должно стать вторичное сырьё.

Кроме ресурсной проблемы современного общества более серьёзной является проблема загрязнения окружающей среды. Всё неиспользованное сырьё (до 90 %) проступает в окружающую среду в виде различных отходов. Эти вещества в природе были в наименее растворимой, следовательно, менее токсичной форме. Например, металлы - в виде малорастворимых оксидов или сульфидов, фтор - в виде фторида кальция или фосфатов, содержащих фтор. При получении металлов, фосфорных удобрений и ряда других продуктов образуется большое количество твёрдых, жидких и газообразных отходов, в которых тяжелые металлы и фтор находятся в активной форме, губительно воздействующей на все живое. В результате промышленной деятельности от всех антропогенных источников в биосферу в общей сложности поступило около 20 млн. т. свинца, 14 млн. т. цинка, более 2 млн. т. меди и т.п. Масштабы выбросов соединений кадмия, цинка, меди и др. тяжёлых металлов всеми вулканами нашей планеты далеко уступает их количеству, поступающему только от мусоросжигающих печей. Антропогенные источники выделения тяжёлых металлов распределены очень неравномерно и сконцентрированы преимущественно в густонаселённых промышленных районах. Повышенное внимание к тяжёлым металлам уделяется потому, что по общетоксическому воздействию на живые организмы они уже вышли на первое место, далеко опередив радиоактивные вещества и пестициды и вызывают целый букет заболеваний: сердечно-сосудистые заболевания, умственная неполноценность, паралич, рак, наследственные болезни.

В последнее десятилетие ежегодно в атмосферу поступает 25 млр. т. СО₂ (около 10 % от общего природного поступления), 190 млн. т. СО (около 10 % от природного поступления), около 110 млн. т. SO₂ (75-90 % в зависимости от полушария), около 70 млн. т. NO_x, свыше 50 млн. т. различных углеводородов, около 50 млн. т. первичных аэрозолей (4%). Кроме того, образуется ещё порядка 250 млн. т. мелкодисперсных аэрозолей сульфатов. нитратов, углеводородов (20%) и т.д.

Воздушными массами загрязнения могут переноситься на большие расстояния и существенно влиять на состояние атмосферы и здоровье человека. В частности, происходящее с интенсивностью 0,4 % в год накопление в атмосфере СО₂ вследствие поглощения им ИК-излучения солнца может вызвать глобальное повышение температуры (“парниковый эффект”). Трансформация в атмосфере SO₂, NO_х и других аналогичной природы выбросов может завершаться образованием кислотных туманов и выпадением кислотных дождей (снегов), вызывающих коррозию многих неорганических материалов (объектов), а также угнетение и уничтожение различных объектов флоры и фауны. Находящиеся в атмосферном воздухе аэрозоли (пыли, дымы, туманы) задерживают падающую на поверхность Земли солнечную радиацию, способствуя похолоданию на планете. Оседающая на поверхности ледников пыль ускоряет их таяние вследствие более интенсивного поглощения солнечной энергии. Атмосферные аэрозоли вследствие их более или менее длительной седиментации обусловливают загрязнение токсичными веществами поверхностных и подземных вод, а также почвы.

В XXI веке, в условиях растущего в мире дефицита природных ресурсов, увеличения количества и масштабов техногенных аварий и катастроф, дальнейшие развитие мирового сообщества должно основываться на новых принципах.

Конференция ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) поставила перед всеми государствами мира задачу обеспечения устойчивого экономического, социального и экологического развития, предполагающего разумное использование ресурсов природы, для того чтобы поколения не оказались перед лицом глобальной экологической катастрофы. В соответствии с этой задачей была разработана программа ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП), в которой были сформулированы глобальные экологические проблемы, сгруппированные в следующие экологические разделы:

- изменение атмосферы и климата;

- изменение гидросферы;

- изменение литосферы; проблемы, связанные с добычей и использованием полезных ископаемых, а также с использованием земной поверхности;

- изменение биоты (животного и растительного мира);

- изменения в сельском и лесном хозяйстве;

- демографические проблемы, в том числе проблема производства продуктов питания;

- урбанизация, проблемы населенных пунктов;

- влияние окружающей среды и её изменения на здоровье населения;

- проблемы развития промышленного производства;

- проблемы, связанные с производством и потреблением энергии;

- проблемы, связанные с развитием транспорта;

- развитие природоохранного образования и понимания общественностью проблем окружающей среды;

- проблемы, связанные с воздействием войн на окружающую среду, а также возможные экологические последствия войн.

Два последних десятилетия уже прошли под уже принятым мировым сообществом пониманием решающей роли экологической составляющей нашего бытия - сохранения, очистки и реабилитации окружающей среды в рамках концепции устойчивого развития. Эта проблема будет одной из определяющих и в ХХI веке.

Анализируя программу ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП), нельзя не видеть, что рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды - важные и актуальные проблемы современности, от правильного решения которых зависит будущее человечества, его устойчивое, бескризисное развитие.

Под устойчивым развитием понимается такое экономическое развитие, при котором удовлетворение потребностей людей происходит без ухудшения среды обитания (климата, состояния атмосферы, гидросферы и почвы, других природных ресурсов, в том числе растительного и животного мира) для них самих и для последующих поколений.

Сейчас все очевиднее взаимосвязь производственных и экологических процессов. Происходит слияние объектов хозяйственной деятельности человека, среды его обитания и окружающей природной среды в единые системы, развивающиеся по своеобразным, еще недостаточно изученным законам. Для изучения состояния и прогнозирования изменений, а также управления развитием таких систем возникло новое научное направление - промышленная экология.

1.2. Промышленная экология — научная основа рационального природопользования

Грандиозные масштабы производственной деятельности человека привели к большим позитивным преобразованиям в мире - созданию мощного промышленного и сельскохозяйственного потенциала, широкому развитию всех видов транспорта, мелиорации больших земельных площадей, созданию систем искусственного климата. Вместе с тем резко ухудшилось состояние окружающей среды. Загрязнение атмосферы, водоёмов и почвы твердыми, жидкими и газообразными отходами достигает угрожающих размеров, происходит истощение невозобновляемых природных ресурсов, в первую очередь, полезных ископаемых и пресной воды. Дальнейшее ухудшение состояния экосферы может привести к далеко идущим отрицательным последствиям для человечества (рост заболеваемости и детской смертности, сокращение продолжительности жизни и т.д.). Поэтому охрана природы, защита её от загрязнений стала одной из важнейших глобальных проблем.

Современная промышленная экология - это самостоятельная наука, изучающая влияние промышленной деятельности на биосферу и её эволюцию в техносферу, а также определяющая пути достаточно безболезненного для человеческой цивилизации перехода техносферы в ноосферу.

Методической основой курса промышленной экологии является научный анализ экологической характеристики производства (технологического процесса, аппаратурного оформления, сырьевых и вспомогательных материалов, их возможного воздействия на окружающую среду). На основе детального анализа проводится оценка реального воздействия производства (производственных комплексов) на биосферу, даётся прогноз состояния окружающей среды и намечаются мероприятия по минимизации влияния объектов хозяйственной деятельности на природу.

Целями промышленной экологии являются: решение проблем рационального использования природных ресурсов, предотвращение (на первом этапе - ограничение) загрязнения окружающей среды, совмещение техногенного и биогеохимического кругооборотов веществ, т. е. промышленная экология является средством для устойчивого функционирования эколого-экономических систем.

Важнейшими задачами, стоящими перед промышленной экологией, являются: контроль загрязнения окружающей среды (и как высшая форма контроля - мониторинг); анализ экологической ситуации (в широком понимании контроль включает в себя инвентаризацию материальных и энергетических ресурсов, качественную и количественную оценку влияния человека на окружающую среду и поиск путей снижения отрицательного воздействия промышленности на окружающую среду); определение отраслей-загрязнителей и источников загрязнения; нахождение путей снижения вредных выбросов источниками загрязнения с учетом снижения материальных затрат на природоохранную деятельность; прогнозирование последствий хозяйственной деятельности; экологизация промышленных технологий; очистка воздуха и воды; решение проблем использования или захоронения твердых промышленных и бытовых отходов; эколого-экономическая экспертиза технических решений.

Средства для решения задач, стоящих перед промышленной экологией, включают в себя современные достижения науки и техники, а также экономические рычаги (налогообложение, стимулирование) и природоохранное законодательство.

Для комплексного решения экологических проблем создаются территориально-промышленные комплексы и эколого-промышленные парки, в которых реализуются следующие актуальные задачи:

- предупреждение отрицательного влияния производства на окружающую среду;

- эффективное использование сырьевых и энергетических ресурсов, в том числе вторичных материальных и энергетических ресурсов;

- учет последствий принятых решений;

- планирование с учетом экологических ограничений;

- управление качеством окружающей среды;

- наблюдение за всеми технологическими процессами (от переработки сырья до захоронения отходов);

- применение малоотходных процессов;

- рециркуляция ресурсов.

С точки зрения экологии материальные потоки в природе являются замкнутыми, в то время как в промышленности они разомкнуты и характеризуются малыми концентрациями полезных веществ в отходах, что мешает их эффективному использованию.

В настоящее время основными направлениями промышленной экологии являются: экологизация технологий; создание малоотходных процессов; очистка атмосферы и водных ресурсов от вредных примесей; переработка твёрдых отходов (или их захоронение); использование экономических и правовых рычагов для охраны окружающей среды.

1.3. Безотходное производство

По мере развития современного производства с его масштабностью и темпами роста все большую актуальность приобретают проблемы разработки и внедрения мало- и безотходных технологий. Скорейшее их решение в ряде стран рассматривается как стратегическое направление рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

«Безотходная технология представляет собой такой метод производства продукции, при котором все сырьё и энергия используются наиболее рационально и комплексно в цикле: сырьевые ресурсы - производство - потребление - вторичные ресурсы, и любые воздействия на окружающую среду не нарушают её нормального функционирования». Эта формулировка не должна восприниматься абсолютно, т. е. не надо думать, что производство возможно без отходов. Представить себе абсолютно безотходное производство просто невозможно, такого и в природе нет. Однако отходы не должны нарушать нормальное функционирование природных систем. Другими словами, мы должны выработать критерии ненарушенного состояния природы. Создание безотходных производств относится к весьма сложному и длительному процессу, промежуточным этапом которого является малоотходное производство. Под малоотходным производством следует понимать такое производство, результаты которого при воздействии их на окружающую среду не превышают уровня, допустимого санитарно гигиеническими нормами, т. е. ПДК. При этом по техническим, экономическим, организационным или другим причинам часть сырья и материалов может переходить в отходы и направляться на длительное хранение или захоронение.

Критерии безотходности

В соответствии с действующим в России законодательством предприятия, нарушающие санитарные и экологические нормы, не имеют права на существование и должны быть реконструированы или закрыты, т. е. все современные предприятия должны быть малоотходными и безотходными.

Безотходная технология - это идеальная модель производства, которая в большинстве случаев в настоящее время реализуется не в полной мере, а лишь частично (отсюда становится ясным и термин «малоотходная технология»).

Однако уже сейчас имеются примеры полностью безотходных производств. Так, в течение многих лет Волховский и Пикалевский глиноземные заводы перерабатывают нефелин на глинозем, соду, поташ и цемент по практически безотходным технологическим схемам. Причем эксплуатационные затраты на производство глинозема, соды, поташа и цемента, получаемых из нефелинового сырья, на 10-15 % ниже затрат при получении этих продуктов другими промышленными способами.