Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002

Раздел 5. Безотходные и малоотходные производства

5.3. Принципы безотходного производства

Вероятно, имеет смысл обратить внимание на то, что в безотходной технологии объединены два фактора, которые хотя и взаимосвязаны, но имеют свою целевую направленность, это — рациональное использование материальных ресурсов и интенсивность воздействия на окружающую среду. Рациональное использование материальных ресурсов направлено на их сбережение и носит больше экономический уклон, тогда как интенсивность воздействий на окружающую среду имеет всецело уклон в сторону экологических последствий от этого воздействия. Можно построить производственный процесс таким образом, чтобы исходное сырье и материальные ресурсы использовались достаточно полно, не взирая на экологические последствия. И обратно, иногда экологическая обстановка может быть столь обостренной, что для ее разрядки подчас следует жертвовать экономией средств и материальных ресурсов. К сожалению, с первым подходом приходится встречаться значительно чаще. В целом только комплексный подход, оптимально учитывающий и экономические и экологические факторы, может обеспечить, эффективность малоотходной технологии и максимально приблизить ее к идеальной — безотходной.

Основными принципами создания такого производства являются:

—  принцип системности (когда каждый отдельный процесс рассматривается как элемент более сложной производственной системы);

—  комплексное использование сырьевых и энергетических ресурсов (когда учитывается и возможность извлечения сопутствующих элементов);

—  цикличность материальных потоков (когда замкнутый производственный цикл определенным образом моделирует природные круговороты);

—  рациональная организация (когда невосполнимые потери природных ресурсов сводятся к минимуму за счет утилизации отходов);

—  принцип экологической безопасности.

Обсудим некоторые из сформулированных принципов.

В соответствии с принципом системности каждый отдельный процесс рассматривается как элемент более сложной производственной системы, а на более высоком иерархическом уровне – как элемент всей эколого-экономической системы, включающей помимо материального производства  и   другой  хозяйственной деятельности, природную среду (популяцию, атмосферу, биосферу, ландшафты и т.д.), а также человека и среду его обитания. Принцип системности должен учитывать существующую и усиливающуюся взаимосвязь и взаимозависимость производственных, социальных и природных процессов.

Примером применения принципа системности в организации производства может служить создание замкнутых водооборотннх схем, в частности на МНПЗ, где помимо замкнутой водооборотной схемы завода имеются внутренние водооборотные цикли в каждом цехе. При зтом снижаются расходы на водоподготовку, потери воды в технологическом процессе и количество вредных внбросов. Осадки после очистки воды перерабатываются и используются в виде вторичного сырья. Металлургические шлаки успешно используются в изготовлении строительных  материалов. Интересно отметить, что шлаки уральских металлургических комбинатов, которые раньше поступали в отвалы, содержат значительное количество различных металлов и на современном уровне развития металлургии могут служить сырьем для их выплавки.

Важным принципом создания безотходного производства является комплексность использования ресурсов. Он требует максимального использования всех компонентов сырья и энергоресурсного потенциала. Практически все сырье является комплексным, и в среднем не менее трети массы составляют сопутствующие элементы, которые могут быть утилизированы лишь при комплексной переработке. Так, уже сейчас почти всё серебро, висмут, платина и платиноиды, а также 20 %, золота получают попутно при переработке различных руд. Принцип комплексного использования сырья в России возведен в ранг государственной задачи. Конкретные формы его реализации в первую очередь зависят от уровня организации безотходного производства на стадии отдельного процесса производства и эколого-экономической системы.

Особого рассмотрения заслуживает принцип цикличности материальных потоков, учитывающий возможность моделирования природных циклов. Возврат веществ в круговорот — это не «безвозмездная» услуга, он всегда требует затрат энергии. Если источником энергии для возвращения служит солнечный свет, то людям не приходится затрачивать дорогостоящие виды топлива. Если не нарушать природные механизмы рециркуляции, то они в основном сами реализуют возврат в круговорот. В случае же промышленных материалов (к ним, например, относятся металлы) повторное их использование требует немалых затрат топлива и денежных средств, а когда запасы этих материалов становятся ограниченными, то здесь просто нет другого выхода.

Для оценки размера возврата веществ в круговорот вводится так называемый коэффициент рециркуляции, выражающийся отношением рециркулируемой доли потока вещества через систему (М_р) к общему потоку вещества через систему (М):

                                                                                                        (9.3)

Коэффициент возврата может быть мал (≈10%) — при изобилии ресурсов или в случае несущественных для жизни элементов. Например, для  платины и золота, которые человек считает очень ценными, К_В достигает 90% и более [3]. Естественно, что коэффициент рециркуляции энергии в принципе равен нулю, поскольку энергия проходит все системы насквозь и не используется вторично. Естественно также, что коэффициент рециркуляции ничего не говорит и о скорости, с которой вещества движутся по кругу.

Примером принципа цикличности может служить рациональное использование катализаторов при переработке нефти. Катализаторы (в том числе на основе платины) являются ценным материалом и для их работы необходимо проводить регенерацию (очистку и восстановление их свойств). При правильной организации процесса обеспечивается максимальный срок службы катализатора. После регенерации катализатор возвращается в технологический цикл, а отходы регенерации удаляются с предприятия и перерабатываются с извлечением из них ценных веществ.

Повторное использование материальных ресурсов (рециркуляция) имеет исключительно большое значение с точки зрения сохранения или продления времени эксплуатации важнейших мировых запасов руд (исчерпаемых ресурсов). Для их количественной оценки служат так называемые индексы исчерпания ресурсов, которые характеризуют расходование имеющихся мировых запасов с учетом сохранения темпов ежегодного прироста потребления. Можно подсчитать (особенно удобно это сделать для металлов), что если запасы возрастут в 10 раз (такое возрастание, учитывая достигнутую степень изученности планеты, представляется уже маловероятным), то обеспеченность сырьем производства увеличится всего в 2,5-3 раза. В случае рециркуляции 50% металлов из сферы потребления в сферу производства обеспеченность важнейшими металлами возрастает в 3-3,5 раза, а при 95-98%-ной степени рециркуляции -–в 5-7 раз (табл. 5.1, [4]).

В табл. 5.2 [4] представлены данные о годовой добыче и сроках исчерпания важнейших источников энергии на 1970 г. и 1989 г. (с учетом открытия новых месторождений), которые показывают некоторое увеличение времени исчерпания (для нефти и газа), хотя и весьма незначительное. Поэтому важнейшим резервом сырья является использование отходов (там где это возможно, например, металлов).

Выход из сложившейся ситуации заключается в целенаправленном повышении роли вторичных ресурсов (рационального их использования) и организации локального, регионального, а затем и глобального (в масштабах государства) техногенного круговорота веществ, в котором первичное сырье будет затрачиваться только на восполнение потерь и расширение объемов производства. В конечном итоге основным для промышленного производства должно стать вторичное сырье. Как видно из рассмотренного материала, такая тенденция уже существует. Так, в нашей стране 25-30 лет назад в готовую продукцию переходило всего 1-2% используемых сырьевых материалов, 15-20 лет назад – от 5 до 10%. Анализ использования сырьевых материалов по шести важнейшим отраслям промышленности (черная и цветная металлургия, добыча и переработка угля, производство удобрений, химических продуктов и строительных материалов), выполненный Всесоюзным институтом вторичных материальных ресурсов в 1985 г. по заданию Государственного комитета СССР по науке и технике, показал, что полезно используются уже 28,6%. Сюда входит любое полезное использование отходов, в том числе и на засыпку выработанных шахт, котлованов, выравнивание территорий, строительство дорог и т.д. Можно спорить о степени точности проведенных расчетов, но тенденция просматривается довольно убедительно.

Таблица 5.1

Время исчерпания мировых запасов важнейших металлов при различных сценариях

Все неиспользованное или недоиспользованное сырье, а как мы видим, это пока его наибольшая часть, поступает в окружающую среду, что весьма неблагоприятно сказывается на живых организмах, включая и человека.

Таблица 5.2

Годовая добыча и сроки исчерпания запасов нефти, угля и газа

У нас в стране имеется целый ряд действующих технологий, в той или иной мере приближенных к безотходным.

В частности, к ним можно отнести впервые разработанную у нас в стране технологию получения глинозема, соды, поташа и цемента из алюмосиликата натрия и калия (минерал, названный нефелином). Принципиальная технологическая схема переработки нефелина приводится на рис. 5.1. [3]

Рис.5.1. Технологическая схема переработки нефелина

При этом затраты на производство глинозема, соды, поташа и цемента, получаемых из нефелинового сырья, на 10-15% ниже стоимости получения этих продуктов другими промышленными способами. Кроме того, технологические процессы получения глинозема, соды и поташа из традиционного сырья связаны с образованием значительных количеств неиспользуемых токсичных отходов.

Другим примером приближения к безотходной технологии может служить технологическая схема производства фосфорной кислоты из апатитных руд [3]. Следует отметить, что апатито-нефелиновые руды содержат свыше 20 химических элементов в достаточно высоких концентрациях. Извлекаемые из них апатитовый и нефелиновый концентраты, в свою очередь, являются комплексным сырьем для различных отраслей промышленности.

К новым малоотходным экологически чистым технологиям можно отнести производство стеклянного волокна и порошковые технологии [5, 6].

К общим принципам создания безотходного производства относится также рациональность его организации. Здесь определяющим являются требования разумного использования всех компонентов сырья, максимального уменьшения энерго–, материало– и трудоемкости производства и поиск новых экологически обоснованных технологий. С ними во многом связано снижение негативного воздействия на среду и нанесения ей ущерба, включая смежные отрасли хозяйства. Конечная цель – оптимизация производства одновременно по энерготехнологическим, экономическим и экологическим параметрам. Главным путем достижения цели служит разработка новых и усовершенствование существующих технологических процессов и производств. Примером такого подхода является утилизация пиритных огарков — отходов производства серной кислоты, которые перерабатываются на цементных предприятиях. Вместе с. тем при этом пропадают ценные компоненты огарков – медь, железо, серебро, золото и т.д. В настоящее время разработана экологически выгодная технология с получением меди, благородных металлов и последующим использованием железа.