А.И. Сафонов
Техноэкология. Курс лекций
Донецк: ДонНУ, 2014. – 107 с.

6. Инженерные средства и методы защиты окружающей среды

6.5. Безотходная и малоотходная технологии

Термин «безотходная технология» был предложен академиками Н.Н. Семеновым и И.В. Петряновым и в настоящее время распространен во всех индустриально развитых странах. В соответствии с Декларацией о малоотходной и безотходной технологии ЕЭК ООН: «Безотходная технология есть практическое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы в рамках потребностей человека обеспечить наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии и защитить окружающую среду». Малоотходная технология как промежуточный этап в создании безотходного производства обеспечивает соблюдение предельно допустимых концентраций. При этом уровне часть сырья и материалов переходит в категорию отходов и направляется на складирование и длительное хранение на полигонах или же захороняется. Безотходная технология понимается как принцип организации и эксплуатации промышленно-производственных комплексов.

В условиях постоянно нарастающего дефицита природных ресурсов особое значение обретает рациональное, комплексное и экономичное их использование. Из этого вытекает необходимость создания промышленных предприятий без выбросов отходов.

Создание промышленных предприятий без выбросов отходов предусматривает систему технологических процессов, обеспечивающих комплексное использование сырья и энергии, при котором будет возможно рационально расходовать природные ресурсы и энергию и защитить окружающую среду от загрязнения и деградации. В основу проектирования производственных предприятий такого типа заложена технология комплексной обработки сырья, предусматривающая отделение и переработку всех отходов в готовую продукцию. Создание подобных малоотходных и безотходных технологических процессов и экологичных производств осуществляется по следующим направлениям:

1) комплексная переработка сырья;

2) разработка принципиально новых технологий, технических средств и схем получения известных видов продукции;

3) проектирование и внедрение бессточных и замкнутых систем водопотребления;

4) рекуперация промышленных отходов;

5) разработка и создание регионально-промышленных комплексов с замкнутой структурой динамичных потоков сырья и отходов.

Комплексная обработка сырья включает в себя две основные задачи: бережное расходование богатств природы и уменьшение выбросов отходов в окружающую среду.

Создаются новые эффективные технологические процессы, отличающиеся возможно меньшим числом технологических стадий и оборудования, а также совмещением операций. В черной металлургии успешно используется метод получения железа путем восстановления рудных концентратов водородом или синтез-газом, представляющим смесь Н₂ и СО. При этом исключаются стадии доменного передела, производства кокса и агломерата. В цветной металлургии разработана новая технология, в том числе — кислородная взвешенная циклонная электротермическая плавка. Суть ее в совмещении основных переделов: обжига, плавки, конвертирования штейнов в одном металлургическом агрегате. В химической промышленности внедряются энерготехнологические процессы, создаются агрегаты большой мощности, использующиеся при производстве аммиака. Производительность техники для синтеза аммиака возросла с 60 до 1360 т/сут, разрабатываются новые агрегаты с производительностью до 3000 т/сут с одновременным снижением расхода энергии с 1200 до 40 кВт ч на единицу связанного азота, а расход воды уменьшается с 32 до 8 м³/т. В Японии вместо традиционной регенерации аммиака производят хлористый аммоний, который используется, в частности, как удобрение. В России предложено регенерировать аммиак гидроксидом магния вместо используемого ранее известкового молока. Получаемый хлорид магния можно перерабатывать в металлический магний, окись магния и соляную кислоту. Разработанные технологии получения соды из сульфата натрия и замена аммиака гексаметиленимином значительно повысили коэффициент использования натрия.

Промышленные отходы делят на твердые и жидкие. К твердым относятся отходы металлов, дерева, пластмасс, минеральные и органические осадки в очистных сооружениях; к жидким — осадки сточных вод после их очистки, шламы в очистных устройствах. Древесные и пластмассовые отходы включаются в состав промышленного мусора и выбрасываются на свалки. Металлический лом и отходы обычно подвергаются обработке и повторному использованию, поскольку представляют собой вторичные материальные ресурсы.

Что относят к вторичным материальным ресурсам? Это продукты, которые могут быть использованы после дополнительной обработки в качестве материалов и сырья. К ним относят: остатки сырья и материалов, образующихся в процессе производства; продукты, получающиеся во время добычи и обогащения полезных ископаемых; материалы, которые получаются в результате физико-химической переработки сырья. Отходы потребления состоят из производственных отходов, включающих металлолом, битое стекло, кожу, изношенные шины и пластмассовые изделия и т.п. И отходов бытового потребления, т.е. выбрасываемых пищевых отходов, макулатуры, изношенных промтоваров и т.п. Ликвидация и переработка твердых промышленных отходов (кроме металла) осуществляется путем вывоза и захоронения на полигонах, сжигания и захоронения на свободной территории. Бытовые отходы вывозились и сжигались на открытых площадках. Затем для сжигания мусора использовались печи, которые так же, как дымящие свалки, становились основными источниками загрязнения воздушного бассейна. Напомним об одном из новых, многообещающих направлений в науке и практике, ведущем к решению указанной задачи. В начале 80-х годов в Стенфордском научно-исследовательском институте (США) совместно с местным университетом были выведены особые микробы, способные уничтожить ядовитые отходы. Предполагается, что в перспективе такие микробы, помещенные в специальные замкнутые «биореакторы», будут уничтожать в качестве своей пищи вредные отходы, подаваемые в эти емкости. Возможно, такими микробами будут засевать особо загрязненные объекты почвы и водоемы.

В настоящее время существует множество способов вторичной переработки различных видов мусора. Наиболее распространенные технологии таковы: макулатуру повторно измельчают в пульку, т.е. бумажную массу, из которой изготовляют различную бумажную продукцию; стекло размельчают, расплавляют и льют новую тару или используют после дробления в качестве гравия или песка при изготовлении бетона и асфальта; пластмассу переплавляют и изготовляют из нее искусственную древесину, устойчивую к биодеградации и обладающую хорошими прочностными качествами для использования в строительстве.

Рекуперация и утилизация твердых отходов

Рекуперация — это процесс отсортировки и переработки отходов производства и потребления, представляющих собой вторичные материальные ресурсы.

В процессе распределения и обработки промышленных отходов используется стандартная их классификация, которая преследует цель наиболее эффективного использования отходов в качестве вторичного сырья. Например, металлолом и отходы черных и цветных металлов по физическим признакам подразделяются на классы, а по химическому составу — на группы, марки и сорта. Безотходная и малоотходная технологии предусматривают:

1) комплексную переработку сырья с использованием всех его компонентов;

2) создание и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования;

3) переработку отходов производства и потребления продукции без нарушения экологического равновесия;

4) использование замкнутых систем промышленного водоснабжения;

5) создание в перспективе безотходных производственных комплексов.

По ориентировочным данным, использование промышленных отходов в США составляют свыше 1 млрд. т, в странах Европейского экономического сообщества — более 400 млн. т, в Японии — 260 млн. т в год, в России в начале 90-х годов объем использования вторичных ресурсов в среднем за 5 лет возрос на 3,5 млн. т, в частности, в черной металлургии образование лома и отходов металлов на 1 т выплавляемой стали достигает 650 кг. Эти цифры свидетельствуют об особой важности проведения мероприятий по рациональному использованию металлических и других отходов.

Основой комплексного использования сырья и вместе с тем защиты окружающей природной среды от загрязнения является рекуперация, т.е. улавливание и переработка сырья. Разработка и внедрение новейших технологий, новых способов получения товарной продукции из вторичных материальных ресурсов позволяет значительно уменьшить антропогенные воздействия на природную среду. Остановимся на некоторых примерах внедрения новых технологий и методов переработки крупнообъемных отходов.

Твердыми отходами в черной металлургии являются шлаки: сталеплавильные, доменные, ферросплавные. Более 75% ежегодного выхода доменных шлаков (около 50 млн. т в год) используются для производства строительных материалов, шлакопемзы, шлаковаты, различных гранулированных шлаков для покрытия дорог. Из доменных шлаков получают стеклокристаллические материалы с высокими физико-механическими свойствами, эффективно используемыми в строительстве. Строительный материал, получивший название сигран, успешно применяемый вместо гранита и мрамора, разработан и внедрен на основе доменного шлака.

Ежегодный выход золошлаковых отходов от всех видов твердого топлива составляет более 100 млн. т. Зола в отвалах тепловых электростанций, образующаяся при сжигании твердого топлива, успешно используется в промышленности строительных материалов. Такие золы ТЭС получили широкое применение в дорожном строительстве и как заполнители бетонов. Они используются для изготовления золокерамзита, для теплоизоляционных засыпок, в качестве добавок к цементу, для производства глиняного и силикатного кирпича. Как сырье зола в нашей стране используется крайне мало, в Германии например, ее потребление составляет 76%, во Франции — 62%.

К новейшим ресурсосберегающим технологиям относится порошковая металлургия, которая способствует созданию материалов с высокими качествами, причем уменьшает потери сырья и в несколько раз увеличивает коэффициент использования металла. Внедрение этой технологии позволило получить в подшипниковой промышленности ежегодную экономию до 70 тыс. т порошка качественной легированной стали. Только при такой прогрессивной технологии можно получить уникальные пористые (для многократной фильтрации газов, очистки жидкостей), антифрикционные (для выпуска, в частности, надежных в эксплуатации подшипников скольжения, которые не нужно смазывать), тугоплавкие и другие материалы. Изготовленные из них детали увеличивают ресурс работы машин, позволяют снижать вес конструкций, создавать новые образцы техники, успешно действующей при очень большой или низкой температурах, сверхвысоких нагрузках, в агрессивной среде и т.д. Новый способ переработки автомобильных шин также способствует уменьшению антропогенной нагрузки на окружающую среду. Известно, что в мире накоплено большое количество отработанных шин автомобилей. Только в США их выбрасывается ежегодно более 200 млн. шт. Путем переработки из отработанных шин извлекают металл, получают нефтепродукты и кокс. Нефтепродукты используются для изготовления резиновых изделий, а кокс — для получения сажи или активного угля. Новый способ окраски автомобилей в электростатическом поле дал возможность сократить потери краски и уменьшить загрязнение атмосферы.

Утилизация и обезвреживание твердых отходов.  Не все промышленные отходы находят применение. Часть из них собирают специализированные организации по сбору и утилизации (Главвтормет, Главвторсырье) и передают на переработку, но многие мало- и крупнотоннажные отходы, не нашедшие применения, складывают или захороняют на специально отведенных полигонах.

Обезвреживание твердых промышленных и бытовых отходов, включая утилизацию осадков, шламов и скопов очистных сооружений, является одной из сложных задач.

Обработка промышленных твердых отходов должна преимущественно проводиться в местах их образования. Это позволяет получить существенную экономию средств за счет сокращения затрат на погрузочно-разгрузочные операции, высвобождения транспорта, сокращения безвозвратных потерь при перевалке и транспортировке отходов.

Первичная обработка металлоотходов включает: сортировку — разделение лома и отходов по видам металла; разделку — очистку от неметаллических изделий; механическую обработку и сортировку с помощью разрезки, рубки, брикетирования на прессовом оборудовании. Для утилизации вторичных металлов на предприятиях с большим количеством металлоотходов (более 50 т в месяц) организуются специализированные участки или цехи для сортировки, брикетирования и пакетирования. Брикетирование производится механическим уплотнением на специальных прессах. Прессование таких отходов, как спиралеобразная стружка, полученная после холодной обработки металла, проводится после ее отжига. Эффективность этого способа в том, что нет необходимости в подготовительных операциях, таких, как размельчение, обезжиривание, отбор неметаллических материалов.

В деревообрабатывающем производстве отходы используют для изготовления товаров культурно-бытового назначения, которые производятся в основном методом прессования. Современный уровень технологии пока не позволяет утилизировать все отходы промышленных производств. Возникает необходимость обезвреживания их, складирования на специальных полигонах или захоронения в грунтах.

Самые простые и распространенные сооружения для обезвреживания отходов — специальные полигоны, где происходит сваливание и анаэробное саморазложение отходов в течение многих лет. На этих полигонах в процессе разложения появляются токсичные газы и фильтраты. Образование таких газов, как метан, сероводород, свободный водород ведет к загрязнениям вод и воздуха, создает взрывоопасные смеси. Поэтому подготовке подобных полигонов должна предшествовать специальная гидроизоляция (естественная или искусственная). Вместе с тем, среди неутилизируемых отходов имеются исключительно токсичные, которые не могут быть обезврежены существующими методами. Обработку таких отходов осуществляют на полигонах, соответствующих требованиям действующих в стране санитарных норм и правил (СНиП) и предназначенных для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов промышленности, НИИ и других учреждений. В перечень материалов, подлежащих приему на спецполигоны, включены: ртутьсодержащие и мышьяксодержащие твердые отходы и шламы; отходы, содержащие свинец, цинк, олово, никель, кадмий, висмут, кобальт, сурьму и их соединения; цианосодержащие сточные воды; органические горючие, в том числе твердые смолы, отходы пластмасс, оргстекла, остатки лакокрасочных материалов, загрязненные опилки, деревянная тара; жидкие нефтепродукты, не подлежащие регенерации; масла; загрязненные бензин, керосин, нефть, мазут; растворители, эмали, краски, лаки, смолы. Жидкие токсичные отходы отправляются на полигон только после обезвоживания на предприятиях, отходы гальваники предварительно нейтрализуют и упаривают в котлованах, после чего засыпают двухметровым слоем кембрийской глины. Полигон представляет собой крупное предприятие, включающее мониторинговую и физико-химическую лаборатории для анализа состава поступающих отходов и постоянного отбора проб воды.

В число наиболее первостепенных проблем, связанных с захоронениями отходов, входят: 1) вымывание веществ и загрязнение грунтовых вод; 2) образование метана; 3) просадка грунта.