проблемы экологии

ОТХОДЫ, МУСОР, ОТБРОСЫ...

На Земле это сделать не так просто...

По расчетам академика И.В.Петрянова-Соколова, только 2% добываемых природных материалов вовлекается в промышленное производство, остальное становится отходами. По другим расчетам, используемые компоненты составляют не более 50% извлекаемого сырья. Но и эта цифра свидетельствует о появлении и накоплении огромного количества вещества, изъятого из естественных условий нахождения в геосфере, преобразованного и превращенного в отходы.

По данным ЮНЕСКО, ежегодно в мире при перепашке полей, строительных и других работах перемещается более 4000 км³ почвы и грунта, извлекается из недр земли 120 млрд т руд, горючих ископаемых, строительных материалов (20 т сырья на каждого жителя планеты); общая площадь разрушенных земель составляет примерно 20 млн км², что больше совокупной площади, используемой сегодня в мире в сельскохозяйственных целях. Последнее обстоятельство обостряет продовольственную проблему, поскольку в мире ощущается дефицит земли, пригодной для ведения сельского хозяйства и обеспечения продовольствием растущего населения планеты.

Человечество по своему воздействию на природу превратилось в величайшую геологическую силу (В.И.Вернадский). По масштабам извлекаемого и перерабатываемого сырья (100 Гт/год) хозяйственная деятельность человека приблизилась к деятельности биоты* биосферы (1000 Гт/год) и превзошла вулканическую деятельность (10 Гт/год).

Установлено, что в настоящее время каждая из величин – население Земли, объем промышленной продукции, промышленные отходы (у) – возрастает во времени (t) по экспоненциальному закону: y = Ae^t, и отличается лишь значением коэффициента А, определяющим крутизну этого роста. При этом загрязнение окружающей среды промышленными отходами, бытовым мусором и отбросами увеличивается быстрее, чем население планеты. Отсюда десятки миллиардов тонн промышленных отходов, сотни миллионов тонн бытовых отходов и мусора.

Улучшение качества человеческой жизни при увеличении численности населения ограничено предельными возможностями окружающих экосистем и биосферы. Согласно разработанным наукой биосферной и ресурсной моделям мировой системы допустимая для Земли численность населения соответственно составляет 1–2 и 7–8 млрд человек. При численности населения 6 млрд человек (по данным ЮНЕСКО на октябрь 1999 г.) с точки зрения биосферной модели мир находится в закритическом состоянии, а с точки зрения ресурсной – близок к потери устойчивости развития.

С учетом демографической ситуации в мире и ее тенденции мировая система идет не к выходу из кризисной ситуации, а к углублению глобального экологического кризиса, составной частью которого является «мусорный кризис». Возрастание отходов производства и потребления – одна из актуальнейших экологических проблем современного мира.

Классификация отходов

Отходы производства – все то, что образуется в процессе производства или после завершения его цикла, кроме продуктов в виде энергии или веществ – предметов производства.

Согласно этому определению к отходам производства относятся остатки многокомпонентного природного сырья после извлечения из него целевого продукта, например пустая рудная порода, вскрышная порода горных разработок, шлаки и зола тепловых электростанций, доменные шлаки и горелая земля опок металлургического производства, металлическая стружка машиностроительных предприятий и т. д. Кроме того, к ним относятся значительные отходы лесной, деревообрабатывающей, текстильной и других отраслей промышленности, дорожно-строительной индустрии и современного агропромышленного комплекса (навозохранилища, неиспользованные химические удобрения и пестициды, необустроенные кладбища погибших во время эпидемий животных и др.).

В принципе отходами производства являются и вещества, содержащиеся в отходящих технологических газах (дымовые) или в сточных водах предприятий, использующих воду в технологических процессах. Эти газообразные и жидкие виды отходов обычно рассматриваются в рамках экологических проблем загрязнения атмосферного воздуха и водного бассейна Земли и их охраны.

В промышленной экологии под отходами производства понимают отходы, находящиеся в твердом агрегатном состоянии (некоторые газообразные и жидкие отходы могут переходить в твердую фазу, например в фильтрах или отстойниках). То же относится и к отходам потребления – промышленным и бытовым (рис. 1).

Рис. 1. Классификация основных видов твердых отходов

Отходы потребления – изделия и материалы, утратившие свои потребительские свойства в результате физического (материального) или морального износа.

Промышленные отходы потребления – машины, станки и другое устаревшее оборудование предприятий.

Бытовые отходы – отходы, образующиеся в результате жизнедеятельности людей и удаляемые ими как нежелательные или бесполезные. К твердым бытовым отходам относят картон, газетную, упаковочную или потребительскую бумагу, всевозможную тару (деревянная, стеклянная, металлическая), вышедшие из употребления или утратившие потребительские свойства предметы и изделия из дерева, металла, кожи, стекла, пластмассы, текстиля и других материалов, сломанные или устаревшие бытовые приборы – мусор, а также сельскохозяйственные и коммунальные пищевые отходы – отбросы.

Особую категорию отходов (главным образом, промышленных) составляют радиоактивные отходы (РАО), образующиеся при добыче, производстве и использовании радиоактивных веществ в качестве горючего для атомных электростанций, транспортных средств (например, атомные подводные лодки) и других целей.

Большую опасность для окружающей среды представляют токсичные отходы, в том числе часть неопасных на стадии их появления отходов, которые приобретают токсичные свойства во время хранения.

Отходы производства

Добыча и переработка сырья, необходимого для производства энергии, различных материалов и в конечном итоге удовлетворения тех или иных потребностей общества, ведет к истощению природных ресурсов Земли, разрушению природных экосистем, нарушению биосферных процессов и невиданному загрязнению окружающей среды, в том числе в результате накопления отходов производства.

Характерное для современного мира расширение индустриального производства сопровождается использованием громадного количества сырья и энергетических ресурсов, направленным на производство материальных благ. При этом действует сложившийся веками стереотип, что именно экстенсивный рост промышленного производства определяет благосостояние общества; промышленное производство считается основой экономического развития и социально-экономического уровня жизни общества, а объем потребляемых сырья и ресурсов расценивается как показатель экономического процветания.

Структурная перестройка экономики развитых стран в последней четверти XX в. (развитие высокотехнологических отраслей промышленности, выпускающих электронную технику, компьютеры, фармацевтические препараты и т. д.) привела к снижению темпов потребления сырья (оно требуется в основном для замены оборудования, а не для создания новой инфраструктуры) и энергии. В то же время резко повысились уровни потребления сырьевых ресурсов в развивающихся странах.

Однако объем сырья, поступающего в экономическую систему, ничего не говорит ни о его конечном использовании, ни о его вкладе в благосостояние людей (в узком и расширенном экологическом смысле). Но этот показатель позволяет однозначно оценить ущерб, наносимый окружающей природной среде как на начальной, так и на завершающей стадии производственного цикла.

Следует также отметить, что энергия, как и природные ресурсы, лишь средство человеческой деятельности, а не конечная цель. Известный экономист профессор М.Лемешев, работавший экспертом ООН по окружающей среде, на простейшем примере показал нерациональный характер использования природных ресурсов, неразумный и порочный круг «производства ради производства».

«Мы ежегодно извлекаем из недр четверть миллиарда тонн железной руды. Добывая ее так называемым прогрессивным открытым способом, разрушаем тысячи гектаров ценнейших черноземов, ограничивая рост производства молока, мяса, хлеба. Нарушаем гидрологический режим обширных регионов, создаем водный дефицит. Затем сооружаются крупнейшие горно-обогатительные комбинаты и металлургические заводы. При выплавке металла загрязняется воздух, губятся реки, озера. Полученный металл идет на строительство циклопических прокатных станов, а на этих станах прокатывают профили гигантских роторных экскаваторов для... добычи железной руды. При этом, естественно, расходуется огромное количество энергии. Получается: руда ради руды. Круг таким образом замыкается, и начинается новый технологический виток с тем же удручающе малым КПД в смысле получения конечных потребительских благ для людей и с трагически большим уроном для природы».

Отметим в этом примере два момента. Производительность роторного экскаватора составляет более 5 тыс. м³/ч. За 8 ч работы вынимается более 40 тыс. м³, это объем пирамиды с основанием 100ґ100 м и высотой в 12 м! При этом полезные компоненты составляют в среднем около половины извлекаемого объема породы, а практически используются в производстве – лишь проценты.

Добыча сырья – это не только самый разрушительный вид человеческой деятельности, при котором происходит перемещение огромного количества почвы и горной породы, но и основной источник промышленных отходов. Большая часть отходов образуется на начальной стадии. Для доступа к сырью необходимо удалить слой почвы и горных пород (вскрышные породы), при этом объемы вскрышных пород при открытом способе добычи сырья, который сейчас широко распространен, значительно больше, чем при подземном способе. Наглядный пример этому – горы пустой породы – терриконы в районах угледобычи (рис. 2), отвалы вблизи карьеров при наземной добыче руд (рис. 3). После процесса обогащения добытой руды также появляются горы пустой породы («хвосты» обогащения). Такие же горы отходов образуются на стадии выплавки металла (доменные шлаки, зола, горелая земля).

Рис. 2. Терриконы в районе угледобычи

Рис. 3. Открытый карьер добычи руды

В основном эти терриконы и отвалы состоят из относительно инертных компонентов, но в то же время они содержат кислотообразующие вещества, тяжелые металлы и другие опасные для окружающей среды элементы. Подвергаясь интенсивному физико-химическому воздействию природных факторов – воздуха и воды, они становятся источниками комплексного загрязнения окружающей природной среды.

Наиболее остро стоит вопрос утилизации неуклонно накапливающихся отходов угольной отрасли промышленности. На некоторых шахтах Донбасса добыча 1 тыс. т угля сопровождается выдачей на-гора более 800 т породы. На поверхности при участии кислорода воздуха и некоторых видов бактерий содержащиеся в породе сульфиды окисляются, что является одной из причин самовозгорания терриконов, образования кислотных поверхностных водотоков.

Эколого-геохимическими исследованиями установлен интенсивный вынос дождевыми водами из терриконов угольных шахт Донбасса селена, кобальта, меди и других тяжелых металлов. Вынос селена таков, что 1 г шлака достаточно, чтобы концентрация селена в 1 л превысила предельно допустимую.

Повышенная миграционная способность многих химических элементов вызывает загрязнение подземных вод, а высокие коэффициенты биологического поглощения тяжелых металлов приводят к загрязнению растительного покрова прилегающих территорий. Затем загрязнение через цепи питания поступает в организм животных и человека, приводя к тяжелым заболеваниям. Воздушная эрозия и локальные самовозгорания отвалов и терриконов способствуют загрязнению приземной атмосферы.

По данным Госкомэкологии, только в 1997 г. в угольной отрасли промышленности образовалось около 700 млн м³ вскрышных пород и отходов обогащения. Доля использования твердых отходов в отрасли составляет в среднем 50%. В результате угледобычи в стране нарушено более 100 тыс. га земель (из них половина приходится на Кузбасс). Начиная с 1991 г. наблюдается ежегодное уменьшение восстанавливаемых земель, в частности в 1996 г. горными работами было нарушено 2,2 тыс. га, рекультивировано – 1,4 тыс. га. Объемы рекультивации сдерживаются недостаточным финансированием и обеспечением соответствующей техникой и оборудованием.

Аналогичная ситуация наблюдается и в других отраслях горнодобывающей отрасли промышленности, в металлургическом производстве и строительной индустрии, причем не только в нашей стране, но и во всем мире.

Главной особенностью промышленных отходов является их крупнотоннажность. Так, в России ежегодно образуются около 7 млрд т отходов, в том числе более 3 млрд т вскрышных пород – отходов горнодобывающей отрасли промышленности, сотни миллионов тонн шлаков и золы тепловых электростанций и металлургических комбинатов и др. В этом отношении «впереди планеты всей» выступают США, где ежегодно производится не менее 11 млрд т твердых отходов (44 т на каждого жителя страны), за ними Канада, Австралия.

В последние годы возникла серьезная проблема загрязнения околоземного космического пространства твердыми фрагментами, так называемым космическим мусором, который образуют обтекатели последних ступеней ракет, различные детали стыковочных узлов, осколки космических аппаратов (КА) как результат их преднамеренной ликвидации, частицы разрушающихся покрытий КА. Спектр размеров этого мусора – от менее нескольких сантиметров до нескольких метров. В настоящее время общая масса космического мусора превысила 5000 т и продолжает увеличиваться. В последнее десятилетие в космос запускают ежегодно более 100 ракет, выводя на орбиту спутники связи, исследовательские спутники, спутники-спасатели поиска аварийных судов и самолетов системы космического спасения (КОСПАС), спутники-шпионы и др. Масса космического мусора уже составляет величину, соизмеримую с массой газа верхних слоев атмосферы на высоте выше 200 км, т. е. там, где этот мусор может существовать (на более низких высотах он сгорает).

Двигаясь с космическими скоростями, этот мусор обладает колоссальной кинетической энергией и становится угрозой для освоения космического пространства (защитить КА от разрушения при столкновении с осколками размером более 1 см практически невозможно). Около 75% космического мусора принадлежит нашей стране. Кроме того, на космических орбитах находится 31 КА российского происхождения с ядерными энергетическими установками – потенциальный источник появления в космосе РАО.

Возможные направления использования отходов производства

Принципиально возможно использование промышленных отходов в следующих основных направлениях:

1. Рекультивация ландшафтов, планировка территорий, отсыпка дорог, дамб и т. п., для чего используют скальные породы, галечник, гравий, песок, доменные шлаки и другие виды твердых промышленных отходов.

Реализация этого экономически выгодного направления утилизации отходов тем не менее незначительная – всего в этих целях используется примерно 10% объема имеющихся отходов.

2. Использование отходов в качестве сырья при производстве строительных материалов:

как пористые заполнители бетона, строительной керамики, кладочных растворов (пустая горная порода, галечник, песок);

как сырье для производства белого цемента, строительной извести и стекла (породы, содержащие мел СаСО₃), портландцемента (глинистые сланцы), керамзита (пластичные глины), силикатного и строительного кирпича (золошлаковые отходы тепловых электростанций и металлургических заводов) и т. д.

Промышленность строительных материалов – единственная отрасль, в значительных масштабах использующая многотоннажные отходы производства.

3. Вторичное использование отходов в качестве исходного сырья, поскольку некоторые отходы по своим свойствам близки к природному сырью для получения определенного вещества или сырья для получения новых видов продукции.

В первом случае реализуется принцип малоотходной или безотходной технологии производства (рис. 4), например производство графита из графитовых руд и образующейся при этом графитовой копоти.

Рис. 4. Схема безотходного технологического процесса

Во втором случае таким образом можно, например, получать серную кислоту: при обогащении угля с целью снижения в нем содержания серы образуется серный колчедан FeS₂ (например, в «хвостах» обогащения Подмосковного угольного бассейна его запасы достигают 60 млн т); термическая обработка серного колчедана совместно с другим крупнотоннажным отходом – сульфатом железа FeSO₄ – позволяет получить диоксид серы:

FeSO₄ + 3FeS₂ + 8О₂ = 7SO₂ + 2Fe2O₃,

и в дальнейшем – серную кислоту.

Это направление использования отходов применимо при переработке таких промышленных отходов потребления, как черный и цветной металлолом. При переработке черного металлолома можно сэкономить до 75% электроэнергии, необходимой для получения стали из железной руды. Повторное получение алюминия из лома экономит до 90% электроэнергии, необходимой для его выплавки из руды. Попутно уменьшается загрязнение атмосферы и количество добываемого первичного сырья, а следовательно, и количество пустой рудной породы.

4. Использование отходов в сельском хозяйстве в качестве удобрения или средства мелиорации. Например, разработаны технологические процессы получения из фосфогипса (крупнотоннажный отход некоторых химических производств, содержащий в %: гипс – 80–90, фосфорную кислоту – 0,5–0,6, глину – 5–6) ценного химического удобрения – сульфата аммония (NH₄)₂SО₄, а также извести для химической мелиорации солонцовых почв. Известковые мелиоранты (поглотители) кислых почв получают также из золошлаковых отходов металлургии, отходов бумажной, кожевенной и других отраслей производства.

Применение отходов промышленности в сельском хозяйстве имеет свои сложности. Это связано с тем, что в них в зависимости от исходного сырья могут находиться тяжелые металлы, мышьяк, фтор, селен и другие вредные элементы.

5. Использование в качестве топлива в промышленности и быту отходов лесной и деревообрабатывающей отраслей промышленности, некоторых отходов сельского хозяйства.

Утилизация промышленных отходов

Отходы, которые не используются (или не подлежат использованию), направляются на захоронение на полигоны-свалки.

Полигон для хранения твердых промышленных отходов представляет собой обычно заглубленный примерно на 10 м и огражденный насыпью во избежание попадания ливневых и талых вод земельный участок площадью от нескольких до десятков гектаров. Для предотвращения загрязнения грунтовых вод дно хранилища покрывают противофильтрационным экраном (несколько слоев полимерной пленки). Для контроля работы этого экрана и качества грунтовых вод в районе полигона бурят скважины с целью отбора проб воды на химический анализ. Полигон, как правило, огораживают полосами из деревьев и кустарников. Твердые отходы после их обезвоживания на заводских очистных сооружениях засыпают в хранилище самосвалами со специальной эстакады или с гребня ограждающей насыпи. После заполнения хранилища на выровненной поверхности устанавливают противофильтрационный экран и засыпают его слоем песчаного и почвенно-растительного местного грунта. На этом в основном заканчивается рекультивация хранилища твердых нетоксичных промышленных отходов.

В России из учтенных статистикой (в 1997 г.) 1112 мест организованного захоронения промышленных отходов, занимающих территорию в 14,5 тыс. га, 935 мест (84%) отвечало действующим нормативам захоронения отходов.

Особое внимание мониторинг окружающей среды уделяет токсичным отходам производства.

В докладе «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1997 году» Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды отмечается, что на начало 1997 г. на предприятиях различных отраслей промышленности накоплено 1431,7 млн т токсичных отходов. За 1997 г. на промышленных предприятиях РФ образовалось 89,4 млн т токсичных отходов, из них использовано в собственном производстве 39,1 млн т, полностью обезврежено 9,2 млн т, т. е. соответственно около 44 и 10% общего количества образовавшихся за год отходов.

Токсичные промышленные отходы должны помещать в герметичные металлические контейнеры (особо вредные – в кубы из отвердевшего жидкого стекла) и захоранивать в толще глины. Иногда в качестве полигонов для хранения таких отходов используют пустые геологические выработки (брошенные угольные шахты, соляные копи или специально созданные полости).

Однако по-прежнему существует практика вывоза промышленных отходов, в том числе токсичных, в места неорганизованного складирования, что представляет особую опасность для окружающей среды. Количество отходов на несанкционированных свалках постоянно растет (рис. 5). Главные причины этого – переполненность существующих полигонов захоронения токсичных отходов и отсутствие финансирования нового строительства. Кроме того, при строительстве новых объектов обезвреживания и захоронения отходов возникает серьезная проблема – нахождение баланса между интересами граждан, проживающих вблизи территории предполагаемого строительства данного объекта, и решением экологических проблем региона в целом.

Рис. 5. Количество токсичных отходов, размещенных на несанкционированных свалках

Переработка промышленных отходов должна предшествовать их захоронению на полигонах-свалках для обеспечения экологической безопасности при их хранении, уменьшения первоначальных объемов.

Одновременно в процессе переработки из отходов можно извлечь ценные компоненты или получить новые материалы.

Несмотря на существующие технологии переработки (термические, физико-химические, биотехнологии), ей подвергается в нашей стране не более 20% общего количества промышленных отходов, при этом официальные данные показывают непрерывный рост неперерабатываемых промышленных отходов, не говоря уже о неучтенных свалках, старых захоронениях, инвентаризация которых даже не начиналась и где содержится около 100 млрд т отходов (из них около 2 млрд т – токсичные).

На сегодняшний день не существует промышленных отходов, которые нельзя было бы переработать тем или иным способом. Правда, при этом велики расходы энергии и себестоимость единицы массы переработанных отходов. Именно это сдерживает применение способов переработки и одновременно стимулирует разработку новых экологически и экономически эффективных технологий. Прогнозируется, что решение этой задачи при колоссальном количестве отходов и при все ужесточающемся законодательстве во всех странах в области охраны окружающей среды приведет к созданию не только новой отрасли индустрии, но и к ее бурному развитию – своего рода «экопромышленному буму».

Суть термической технологии заключается в обработке отходов высокотемпературным теплоносителем, в частности продуктами сгорания топлива, СВЧ-нагревом и др. Высокотемпературная обработка происходит в окислительном или восстановительном режиме с подачей воздуха, кислорода, водорода или других газов. Этот способ обладает определенной универсальностью, позволяя обезвреживать неорганические и органические соединения. Главный недостаток термической технологии – большая энергоемкость на единицу перерабатываемых отходов.

Разновидностью термического метода является плазменный, при котором высокие температуры (выше 3000 К) позволяют обезвреживать широкий спектр токсичных и особотоксичных веществ, среди них различные отравляющие вещества (в том числе боевые), пестициды, диоксины и др.

Еще одним перспективным направлением термической технологии является пиролиз – разложение отходов под действием высокой температуры без доступа воздуха. Преимущества этой технологии – возможность получения газа для технологических и бытовых целей, а в ряде случаев новых продуктов (масла, смолы), пригодных к использованию; резкое сокращение затрат на систему очистки отходящих газов за счет снижения их объемов (в 3–4 раза); достаточная экологическая чистота и безопасность; низкое энергопотребление на единицу объема перерабатываемого вещества, особенно в случае применения СВЧ-нагрева.

В результате физико-химической технологии переработки некоторые отходы используются как сырье для получения полезного продукта.

В промышленно развитых странах эту технологию применяют для переработки:

отходов резинотехнической промышленности (автомобильные покрышки, резиновые шланги и рукава и др.) в резиновую крошку, используемую в дорожном строительстве (например, шумопоглощающий «шепчущий асфальт», которым покрыты многие автомагистрали Австрии);

широко используемых полимерных материалов (новая отрасль промышленности по переработке такого вида отходов обеспечивает их 100%-ю переработку в сырье для повторного использования);

определенных видов промышленных отходов в удобрения, строительные материалы.

При переработке каждого вида отходов этим методом приходится разрабатывать индивидуальную технологию. В связи с этим с точки зрения экологизации промышленного производства при создании нового материала, находящего широкое применение, желательно одновременно разрабатывать и технологию его утилизации.

Теоретически самой перспективной технологией переработки промышленных отходов является биотехнология. Живое вещество планеты в ходе эволюции переработало косную литосферу, гидросферу и атмосферу, превратив их в биосферу. Энергетический потенциал биоты не сравним ни с какой технической установкой, выполняющей ту же функцию, правда, скорость протекания биологических процессов невелика. В лабораторных условиях осуществляются технологии извлечения из отходов Fe, Сu, Zn, Сd, Рb, Нg, Со, Аg и других металлов, в том числе радиоактивных изотопов, некоторыми бактериями и грибами. В промышленных условиях биотехнологию уже используют для производства белковых продуктов из отходов лесной и деревообрабатывающей отраслей промышленности.

Биотехнологические методы должны оказаться очень полезными и эффективными при переработке отходов пищевой отрасли промышленности, агропромышленного комплекса, а также коммунального хозяйства – областях, где утилизация отходов развита в наименьшей степени.

Продолжение следует

Е.Э.Боровский