Безотходные и малоотходные производства (технологии)

По мере развития современного производства наряду с его масштабностью и темпами роста все большую актуальность приобретают проблемы разработки и внедрения малои безотходных технологий. Актуальность данной проблемы обусловлена следующими обстоятельствами.

Биосфера функционирует по принципу встроенности систем: каждая форма конструируется за счет деструкции других форм, составляя звено всеобщего кругооборота вещества в природе. Производственная деятельность вплоть до самого последнего времени строилась по другому принципу — максимальной эксплуатации природных ресурсов и игнорирования проблемы деструкции отходов производства и потребления. Этот путь был возможен лишь до тех пор, пока масштабы отходов не превышали границ способности экологических систем к самовосстановлению.

Между индустрией и окружающей средой до сих пор доминирует открытый тип связи. Аграрное производство гоже является открытой системой. Производственный процесс начинается с использования природных ресурсов и завершается превращением их в средства производства, предметы потребления. За процессом производства следует процесс потребления, после чего использованные продукты выбрасываются. Таким образом, открытая система базируется на принципе одноразового использования вещества природы.

Производственная деятельность начинается с использования некоторых новых природных ресурсов, а потребление заканчивается выбросами отходов в окружающую среду. Как было показано выше, весьма небольшая часть природных ресурсов превращается в целевые продукты, большая часть их попадает в отходы.

На основании этого можно говорить о существовании двух условных типов (моделей) общества: одноразового потребления (расточительное общество), создающего отходы и где производство носит многоотходный характер, и природосберегающего, где производство организовано на безотходных и малоотходных технологиях (рис. 6.10).

Таким образом, объективно возникает потребность перехода к принципиально новой форме связи — к замкнутым системам производства, предполагающим, возможно, большую автономность производства, исключение встроенности производственных процессов во всеобщий круговорот вещества в природе.

При замкнутой системе производство строится, опираясь на следующие фундаментальные положения:

• • максимальное использование исходного природного вещества;
• • максимальное использование отходов (регенерация отходов и превращение их в исходное сырье для последующих ступеней производства);
• • создание конечных продуктов производства с такими свойствами, чтобы используемые отходы производства и потребления могли быть ассимилированы естественными экологическими системами;
• • снижение количества отходов потребления путем выпуска товаров с меньшей массой, в биоразлагаемой упаковке, с полной их утилизацией еще до попадания в окружающую среду.

Принцип безотходности в общепринятом понятии сводится к тому, что при разработке и проектировании нового производства:

• применяют системный подход;

Рис. 6.10. Структурная схема общества одноразового потребления (а) и природосберегающего (б) соответственно.

• • комплексно используют ресурсы;
• • учитывают цикличность материальных потоков;
• • ограничивают воздействие на окружающую среду;
• • рационально организовывают производственный процесс.

В соответствии с принципом системности каждый отдельный процесс или производство рассматривается как элемент динамичной системы всего промышленного производства в регионе и на более высоком уровне — как элемент эколого-экономической системы в целом, включающей кроме материального производства и другой хозяйственно-экономической деятельности человека природную среду (популяции живых организмов, атмосферу, гидросферу, литосферу, биогеоценозы, ландшафты), а также человека и среду его обитания. Таким образом, принцип системности, лежащий в основе создания безотходных производств, должен учитывать существующую и усиливающуюся взаимосвязь и взаимозависимость производственных, социальных и природных процессов.

Принцип комплексного экономного использования сырья в России возведен в ранг государственной задачи и четко сформулирован в ряде постановлений Правительства РФ. Конкретные формы его реализации в первую очередь будут зависеть от уровня организации безотходного производства на стадиях процесса, отдельного производства, производственного комплекса и эколого-экономической системы.

Одним из общих принципов создания безотходного производства является цикличность материальных потоков. К простейшим примерам цикличных материальных потоков можно отнести замкнутые водои газооборотные циклы. В конечном итоге последовательное применение этого принципа должно привести к формированию сначала в отдельных регионах, а впоследствии и во всей техносфере сознательно организованного и регулируемого техногенного круговорота вещества и связанных с ним превращений энергии. В качестве эффективных путей формирования цикличных материальных потоков и рационального использования энергии можно назвать комбинирование и кооперацию производств, создание ТИК, а также разработку и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования.

К не менее важным принципам создания безотходного производства необходимо отнести требование ограничения воздействия производства на окружающую природную и социальную среду с учетом планомерного и целенаправленного роста его объемов и экологического совершенства. Этот принцип в первую очередь связан с сохранением таких природных и социальных ресурсов, как атмосферный воздух, вода, поверхность земли, рекреационные ресурсы, здоровье населения. Следует подчеркнуть, что реализация этого принципа осуществима лишь в сочетании с эффективным мониторингом, развитым экологическим нормированием и многозвенным управлением природопользованием.

Общим принципом создания безотходного производства является также рациональность его организации. Определяющими здесь являются требование разумного использования всех компонентов сырья, максимального уменьшения энерго-, материалоемкости и трудоемкости производства и поиск новых экологически обоснованных сырьевых и энергетических технологий, с чем во многом связано снижение отрицательного воздействия на окружающую среду и ущерба ей, включая смежные отрасли народного хозяйства. Конечной целью в данном случае следует считать оптимизацию производства одновременно по энерготехнологическим, экономическим и экологическим параметрам. Основным при достижении этой цели является разработка новых и усовершенствование существующих технологических процессов и производств.

Отсюда можно заключить, что безотходная технология представляет собой такой метод производства продукции, при котором все сырье и энергия используются наиболее рационально и комплексно в цикле: сырьевые ресурсы — производство — потребление — вторичные ресурсы, и любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования.

Стратегия безотходной технологии исходит из того, что неиспользуемые отходы являются одновременно не полностью использованными природными ресурсами и источником загрязнения окружающей среды. Снижение удельного выхода неиспользуемых отходов в расчете на товарный продукт технологии позволит произвести больше продукции из того же количества сырья и станет вместе с тем действенной мерой по охране окружающей среды. Биосфера дает нам природные ресурсы, из которых в сфере производства получаются конечные продукты, при этом образуются отходы. Продукты применяются либо в сфере производства, либо в сфере потребления, и вновь образуются отходы. Практически всегда при необходимости после соответствующей обработки они могут быть использованы как вторичное сырье (вторичные материальные ресурсы) или как вторичные носители энергии (вторичные энергоресурсы). Если по техническим или технологическим причинам невозможно или экономически невыгодно перерабатывать отходы, то их необходимо вводить в биосферу таким образом, чтобы по возможности не наносить вреда естественной окружающей среде.

Можно составить следующий баланс, но сферам производства и потребления исходя из закона сохранения материи:

где А — масса образующихся отходов в сферах производства и потребления, кг/с; R — расход природных ресурсов, кг/с; S — масса веществ, накапливающихся в сферах производства и потребления вследствие постоянного роста производства, кг/с; f_t — средний коэффициент использования отходов, кг/кг.

Снижение удельного количества неиспользуемых отходов производства и тем самым удельного расхода природных ресурсов возможно за счет:

• • уменьшения удельного выхода отходов;
• • повышения коэффициента использования отходов;
• • рециклинга, т. е. утилизации отходов потребления в производстве.

Выбор одного из путей зависит как от технологических возможностей, так и от экономических условий. С одной стороны, первичная цель безотходной технологии заключается в таком уменьшении выводимой в единицу времени в биосферу массы неиспользованных отходов, при котором будет сохраняться естественное равновесие биосферы и обеспечивалось сохранение основных природных ресурсов. С другой стороны, крайне необходимы безотходные технологии, которые в качестве сырья используют отходы потребления. Такие технологии имеют двойную экологическую эффективность.

К настоящему времени при создании безотходных технологий определились следующие основные подходы:

• • разработка бессточных технологических схем и водооборотных циклов на базе эффективных методов очистки и повторно-последовательного использования нормативно очищенных стоков;
• • разработка технологических циклов с замкнутым воздухооборотом;
• • замена воды в технологии на легко утилизируемые среды;
• • замена воздуха на кислород и другие газы;
• • разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов, исключающих образование любых видов отходов;
• • создание территориально-промышленных комплексов, т. е. экономических районов, в которых реализована замкнутая система материальных потоков сырья и отходов внутри комплекса;
• • утилизация отходов в качестве вторичных материальных и энергетических ресурсов;
• • использование отходов для переработки других отходов;
• • сокращение массы отходов за счет уменьшения материалоемкости технологий.

Формулировка понятия безотходной технологии не должна восприниматься абсолютно, т. е. не следует думать, что возможно производство без отходов, однако отходы не должны нарушать нормальное функционирование природных систем. В реальных условиях полностью безотходную технологию нельзя создать ни практически, ни теоретически (подобно тому, что в соответствии со вторым законом термодинамики нельзя как полностью перевести энергию в полезную механическую работу, так и сырье невозможно полностью перевести в полезный экологически безопасный продукт). Другими словами, полностью безотходная технология — это идеальная система, к которой должен стремиться всякий реальный технологический цикл, и чем больше будет степень приближения, тем меньшую экологическую опасность будет представлять данное производство.

Создание безотходных производств относится к весьма сложному и длительному процессу, промежуточным этапом которого является малоотходное производство. Под малоотходным 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.

В некоторых случаях используют понятие «экологически чистая технология», подразумевая под этим такой метод производства, при котором сырье и энергия применяют настолько рационально, что объемы выбрасываемых в окружающую среду загрязняющих веществ и отходов сведены к минимуму.

Поскольку степень экологической чистоты будет определяться степенью приближения малоотходной технологии к идеальной модели, то необходимо ввести соответствующие коэффициенты, оценивающие приближение малоотходной технологии к безотходной.

Имеется ряд подходов к определению безотходное™ производства: экспериментальная оценка, оценка по сырьевому и энергетическому балансам, по общему параметру оптимизации, полученному с помощью функции желательности или технологического профиля, а также экономическим путем при сопоставлении затрат на производство продукции.

Общий баланс относительной токсичности массы вредных веществ определяется следующим выражением:

где М_с + М_в — сумма отходов, поступающих в окружающую среду со сточными водами и газовыми выбросами; ?М_Н — масса нейтрализованных отходов, ХМ_р — масса рассеянных отходов.

Относительную экологичность типового процесса, технологической линии, цеха можно определить по выражению.

Если А —> 0, то процесс стремится к безотходному состоянию.

Для количественной оценки безотходное™ производств рекомендуется использовать коэффициент безотходности, который учитывает различные факторы в зависимости от отрасли народного хозяйства.

Так, для угольной промышленности коэффициент безотходности К_С)предложено определять по выражению.

где К_п — коэффициент использования породы в результате горных работ; К_к — коэффициент использования попутно забираемой воды, образующейся при добыче угля; К_пг — коэффициент использования нылегазовых отходов. Для химической промышленности коэффициент безотходности.

где К_м — коэффициент полноты использования материальных ресурсов; К_:) — коэффициент полноты использования энергетических ресурсов; К_ЭТ — коэффициент соответствия экологическим требованиям. Значения первых двух коэффициентов находят с учетом данных о материальном и энергетическом балансах.

Значение коэффициента К_эт определяется по выражению.

где Г)_г, г|_а, г|_л — коэффициенты соответствия экологическим требованиям для гидросферы, атмосферы и литосферы соответственно.

Коэффициент r_v определяется, но выражению.

где п — число загрязняющих веществ, содержащихся в жидких отходах, отводимых в водные объекты (гидросферу); В_{ — фактический сброс z-го ингредиента (вещества) в единицу времени, НДС, — — предельно допустимый сброс г-го ингредиента в единицу времени; ПДК, — предельно допустимая концентрация г-го ингредиента для водоема данного вида водопользования.

Если В, < ПДС_;, то расчет коэффициента rj_r не производят или принимают его равным единице. Очевидно, что коэффициент г|_г с ростом В, уменьшается от единицы до нуля.

Если данные о НДС отсутствуют, то расчет ведут по выражению.

где Сj — концентрация г-го ингредиента.

При сбросе в водоем нескольких загрязняющих веществ с одинаковым лимитирующим показателем вредности должно выполняться следующее условие:

Методика расчета коэффициента Г|_а аналогична выше рассмотренной. Коэффициент г|_л в настоящее время принимается равным единице. Если значение коэффициента К_эт < 1, то производство относят к разряду «традиционных». В случае равенства коэффициента К_эт единице рассчитывают коэффициенты К_м и К_э или только один коэффициент К_м. Для целевого продукта коэффициент К_м определяется по выражению.

[_.

~ У

где М_оп — материалы основного производства; М_вп — материалы вспомогательного производства; 0_оп — отходы основного производства; ОТ_оп — отбросы основного производства; П_оп — потери основного производства.

В случае если К_м лежит в интервале 0,9—1,0, то производство считается безотходным, при нахождении К_м в интервале 0,8—0,9 — малоотходным, при значении К_м < 0,8 — производство считается традиционным.

В общем случае для оценки степени совершенства технологического процесса с учетом взаимодействия с окружающей средой за критерий безотходное™ принимается коэффициент экологического действия:

где В_т — теоретическое воздействие, необходимое для производства; Вф — фактическое воздействие; В_п — воздействие, определяемое конкретным производством.

Если Вф < В_т, то К_ш —> 0, т. е. данное производство совершенно не учитывает требований экологической безопасности, что ведет к так называемому экологическому просчету. Чем выше значение коэффициента К_эд, тем более совершенным является производство с учетом воздействия на окружающую среду и тем более существенно оно приближается к безотходной технологии.

Социально-экономический эффект (СЭЭ) безотходных производств можно оценить по комплексному критерию:

где? Э, — сумма всех эффектов, достигаемых при внедрении безотходного производства; У — ущерб от загрязнения окружающей среды отходами производства и потребления; З_п — полные затраты на создание безотходного производства.

При наличии нескольких вариантов должен быть выбран вариант с наибольшим СЭЭ при минимальных значениях З_п.

Таким образом, сочетание прогрессивных технологий с современными методами очистки и контроля газопылевых выбросов, вторичного использования отходов позволяет реконструировать существующие и проектировать новые производства, отвечающие требованиям малоотходное™ и экологической безопасности.