Переработка промышленных отходов

Промышленные отходы

Прямой выход в технологической цепи "сырье - целевой продукт" редко превышает 10%, т. е. из 1 т руды получается 100 кг "целевого продукта" и 900 кг "бесполезного продукта". Становится очевидным, каким огромным количеством промышленных отходов сопровождается удовлетворение растущих потребностей населения Земли. Особенно много твердых отходов дают черная и цветная металлургия, горнодобывающая, энергетическая, лесоперерабатывающая и ряд других отраслей. На предприятиях черной металлургии государств СНГ используется только 5% объема вскрытых пород; в отвалах накопилось 400 млн т доменных и сталеплавильных шлаков. К этому количеству еще ежегодно добавляются десятки миллионов тонн шлаков и сотни миллионов тонн отходов обогатительных фабрик. На заводах по производству серной кислоты накоплено 28 млн т пиритных огарков и ежегодно образуется еще 5,7 млн т. Заводами калийных удобрений накоплено 500 млн т галитовых отходов, количество которых ежегодно увеличивается на 10%. Лесозаготовительные предприятия накопили свыше 200 млн м3 древесной коры. Много отходов дает энергетическая промышленность. Так, при работе в течение одних суток ТЭС средней мощности (I ГКквт) требуется 10 тыс. т угля и образуется 1 тыс. т шлака и золы, под отвал которых требуется площадь 1 га в год. На долю отходов горнодобывающей промышленности приходится 70-75% всех отходов в народном хозяйстве, а используются они очень мало.

Бытовые отходы

Бытовые отходы - отходы ненужных материалов изделий, которые накапливаются в быту и в учреждение мусор, отбросы, пищевые отходы, макулатура, изношенная одежда, вышедшая из строя бытовая техника и т. д. - все то, что не относится к промышленным и канализационным отходам. Количество твердых бытовых отходов неуклонно возрастает из-за изменения образа жизни (в основном от использования одноразовой посуды, различных емкостей, оберточных и упаковочных материалов и т. д.), а также увеличения численности населения. Состав городских бытовых отходов примерно таков: бумага - 41%, пищевые отходы - 21%, стекло - 12%, железо и его сплавы - 10%, пластмассы - 5%, древесина - 5%, резина и кожа - 3%, текстиль - 2%, алюминий - 1%, другие металлы - 0,3%. Доля отдельных компонентов существенно изменяется в зависимости от источника (город, село), уровня жизни, времени года и т. д. Город с населением в 1 млн человек ежесуточно имеет бытовых отходов примерно 2 тыс. т. Местные власти обязаны убирать мусор и обеспечить его переработку.

Переработка промышленных отходов

Промышленные отходы по существу являются продукцией незавершенного производства, поскольку они в большинстве случаев представляют собой неиспользованное недоиспользованное сырье. В связи с этим ряд ученых предлагают заменить слово "отходы" на другое - "продукция незавершенного производства", как более точное по существу и дающее необходимый психологический настрой. Так, в районах интенсивного развития цветной металлургии (Урал, Алтай и др.) имеются отвалы старых и действующих заводов, содержащих большой набор редких и рассеянных элементов - гафния, циркония, германия, технеция и др. В настоящее время разрабатываются технологии по переработке отвалов с целью извлечения из них указанных элементов. После извлечения ценных элементов из твердых отходов горных предприятий эти отходы могут быть использованы в следующих направлениях: * в производстве строительных материалов (цемента, строительного щебня, кирпича, стекла); * в дорожном строительстве; * в производстве некоторых видов удобрений. Наиболее перспективный и безвредный путь - создание замкнутых циклов - является исключительно энергоемким. С экономической точки зрения оправданно комплексное размещение различных производств с целью использования отходов одной промышленности в качестве сырья для другой, а также создание безотходных территориально-промышленных комплексов. Однако следует отметить, что пока ни один из видов крупнотоннажных отходов (химической, металлургической, угледобывающей и других отраслей промышленности) не отнесен к товарной продукции другой отрасли. Одна из причин - отсутствие достаточно надежных и эффективных, а также дешевых способов переработки отходов. Переработка бытовых отходов - весьма сложная задача не только из-за их большого объема, а главным образом из-за их многокомпонентности, сложности состава. До 60-х гг. нашего столетия большая часть отходов вы возилась и сжигалась на открытых площадках. Это самый дешевый способ переработки бытовых отходов, но экологической точки зрения - самый плохой: когда свалка горит, выделяется много дыма, содержащего большое количество плохо пахнущих и вредных веществ; свалки являлись местом размножения мух, крыс и т. д. В настоящее время такой способ переработки бытовых отходов запрещен. Другой способ уничтожения бытовых отходов - их захоронение: бытовые отходы зарывают в землю или вываливают на нее и засыпают землей. Для этой цели используют карьеры, овраги, заболоченные низины и т. д. Из-за отсутствия доступа воздуха такие свалки не горят (нет загрязнения воздуха), не размножаются грызуны и другие животные, а также насекомые. Но при этом возникают другие проблемы: * происходит вымывание веществ и загрязнение грунтовых вод; * образуется метан (рудный газ); * происходит просадка грунта. Из перечисленных проблем самая серьезная - загрязнение грунтовых вод остатками разлагающихся органических веществ и ионами тяжелых металлов, что представляет серьезную угрозу для здоровья населения. Образование метана происходит при разложении органических веществ, содержащихся в бытовых отходах (остатки пищи, бумага, текстиль и др.), и отсутствии кислорода воздуха. Метан (СН4) - легкий (примерно в 2 раза легче воздуха), легковоспламеняющийся газ. Из метана на 2/3 состоит биогаз (смесь газов, образующихся при гниении органических веществ). Метан может скапливаться в отдельных местах и при зажигании взрываться, что может привести к человеческим жертвам. Кроме этого метан отравляет корни растений, деревьев, выращенных на месте захороненных свалок. В отсутствие растительности начинается эрозия почвы, и отходы вновь появляются на поверхности. По мере разложения объем бытовых отходов уменьшается, в результате чего происходит просадка грунта. Именно поэтому на месте свалок ничего не строят, делают газоны, игровые площадки. Но и в этих случаях просадка грунта нежелательна, так как в образующихся низинах скапливается вода, со временем образуются болота. Во избежание указанных негативных последствий могильники бытовых отходов делают более усовершенствованными. Их устраивают на возвышенных местах с глубоким залеганием грунтовых вод; по периметру могильника прокладывают керамические трубы для сбора фильтрующейся со свалки загрязненной воды; дно могильника покрывают на 30- 50 см слоем глины, поверх которого укладывают слой крупного гравия. Все это предназначено для того, чтобы сточная вода, достигнув водонепроницаемого слоя, собиралась в систему коллекторов, а затем подвергалась соответствующей очистке. Слой гравия, окружающий свалку, служит также для отвода образующегося метана (биогаза), который может быть использован как источник энергии. Наиболее перспективный способ переработки бытовых отходов - их рециклизация, т. е. вторичная переработка с целью получения из отходов полезных, пользующихся спросом товаров. Основные трудности при использовании этого способа - сортировка бытовых отходов, т. е. необходимо разделить макулатуру, стекло, пластмассу, металлы, пищевые отходы и т. д. Затем идет переработка каждого вида отхода с целью получения полезного целевого продукта. Использование этого способа предполагает заинтересованность населения и отдельных отраслей промышленности в продукции, изготовленной из вторичного сырья. Для переработки пищевых отходов, бумаги, текстиля, вдового мусора наиболее перспективным является их компостирование, т. е. естественное биологическое разложение (перегнивание) органических веществ в присутствии воздуха. Конечный продукт компостирования - гумусопо-добное вещество, которое можно использовать в качестве органического удобрения. Этот способ переработки бытового и садового мусора следует использовать на садовых дачных участках с большой пользой для будущего урожая. Существует множество различных технологий по переработке бытовых отходов для изготовления из них ценных продуктов, которые, к сожалению, в большинстве свое в настоящее время не реализуются из-за указанных выше трудностей. В настоящее время основными способами переработки твердых бытовых отходов в России являются их захоронение или сжигание на мусоросжигающих предприятиях, хотя очевидно, что экономически наиболее целесообразно сочетать рециклизацию, компостирование и снижение объема мусора. В заключение этого раздела следует подчеркнуть, что как естественные экосистемы зависят от круговорота биогенов, так и устойчивое существование человечества в конечном итоге зависит от его способности рециклизировать и утилизировать практически все виды отходов. А иначе "не получится ли так, что человек достигнет Марса и других планет, стоя по колено в мусоре на планете Земля?"

Понятие загрязнения

Привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее в рассматриваемое время физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде называется загрязнением. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в индустриальных странах служат автомобили и другие виды транспорта и промышленные предприятия. Ежегодно в атмосферный воздух поступает более 200 млн. т оксида углерода, 151 млн. т оксида серы (IV) (сернистого газа), свыше 50 млн. т оксидов азота, более 50 млн. т различных углеводородов, более 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей и т. д. Только за счет сжигания угля в различных энергетических установках в окружающую среду в мире поступает ртути в 8700 раз> мышьяка в 125, урана в 60, кадмия в 40, бериллия и циркония в 10, олова и ванадия в 4 раза больше, чем их вовлекается в естественный биологический кругооборот на Земле за то же время (Добродеев Д. П., 1978). Самый чистый воздух над океаном. В деревнях и селах он содержит пылевидных примесей в 10 раз больше, над поселками и небольшими городами воздух грязнее в 35 раз, а над промышленными центрами плывут облака тяжелого смога. В них содержится пыли в 150 раз больше, чем над океаном. Загрязненный воздух над крупными городами простирается на высоту 1,5-2,0 км. Эта плотная шапка задерживает летом до 20% солнечных лучей, а зимой, когда и так мало света, поглощает половину его.

Загрязнение атмосферы оказывает неблагоприятное воздействие не только на человека, но и на флору и фауну, на различного рода сооружения, транспортные средства и др. На территорию Северной Швеции и Норвегии серы выпадает в 2-2,5 раза больше, чем выбрасывается в воздушный бассейн с этих территорий. В то же время во многих промышленных странах Западной Европы, в частности в Великобритании и Голландии, отношение выпадений серы к выбросам составляет лишь 10-20%, а в ФРГ, Франции и Дании - 20-45%. Следовательно, остальная часть выбросов переносится воздушными потоками. Опасность выбросов сернистых соединений заключается прежде всего в их массовости, токсичности и сравнительно большом общем "сроке жизни". "Продолжительность жизни" сернистого газа в атмосфере сравнительно невелика: от двух-трех недель, если воздух сравнительно сухой и чистый, до нескольких часов, если воздух влажен и в нем присутствует аммиак или некоторые другие примеси. Но он растворяется в каплях атмосферной влаги. В результате каталитических, фотохимических и других реакций окисляется и образует раствор серной кислоты. Следовательно, агрессивность выбросов возрастает. В конечном счете переносимые воздушными массами сернистые соединения переходят в форму сульфатов. Их перенос в основном происходит на высоте от 750 до 1500 м, где средние скорости перемещения воздушных масс близки к 10 м/с. Поэтому дальность переноса сернистого газа 300-400 км. На этом же удалении от источника выбросов в струе переноса отмечается максимум концентрации раствора серной кислоты. Ее обнаруживают и на расстоянии 1000-1500 км, где в основном завершается ее переход в сульфаты. Описанный процесс - упрощенная схема, не учитывающая возможности вымывания сернитого газа и серной кислоты по пути переноса каплями дождя, а также абсорбирования их растительностью, почвой, поверхностными и морскими водами. Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей. Под влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшаются фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижаются качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких дозах и продолжительном воздействии растительность погибает. Так называемые кислые дожди вызывают повышение кислотности почв. В итоге снижается эффективность применяемых минеральных удобрений на пахотных землях, из видового состава трав на долголетних культурных сенокосах и пастбищах выпадают наиболее ценные. Особенно сильное влияние кислые осадки оказывают на дерново-подзолистые и торфяные почвы, широко распространенные в северной части Европы. Наличие в воздухе соединений серы ускоряет процессы коррозии металлов, разрушения зданий, сооружений, памятников истории и культуры, ухудшает качество промышленных изделий и материалов. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельской местности. Увеличение задымленности воздуха ведет к ухудшению микроклимата города: увеличению числа туманных дней, уменьшению прозрачности атмосферы и, следовательно, к снижению видимости, освещенности, ультрафиолетовой радиации. Утром 26 октября 1948 г. густой туман - смог - окутал г. Донора (штат Пенсильвания, США). Из смеси тумана с дымом и копотью начала выпадать сажа, покрывшая дома, тротуары и мостовые черным покрывалом. Двое суток видимость была настолько плохой, что жители с трудом находили дорогу домой. Вскоре врачей стали осаждать кашлящие и задыхающиеся пациенты, жаловавшиеся на нехватку воздуха, насморк, резь в глазах, боль в горле и тошноту. В течение следующих четырех дней, пока не начался сильный дождь, заболело 5910 человек из 14 тыс. жителей города. Двадцать человек умерло. Погибло много собак, кошек и птиц. Исследуя причины этой трагедии, метеорологи установили, что она вызвана температурной инверсией, которая препятствовала нормальной циркуляции воздуха. Обычно теплый воздух поднимается от земли в вышележащие холодные области, унося с собой значительную часть загрязняющих воздух продуктов деятельности человека. Изредка слой теплого воздуха образуется вблизи от земли над холодным слоем, возникает температурная инверсия, следствием которой является нарушение циркуляции воздуха. В результате ядовитые выделения скапливаются непосредственно над землей. Лондонский смог (смесь дыма и тумана) 1952 г. за три-четыре дня погубил более 4 тыс. человек. Сам по себе туман не опасен для человеческого организма. Он становится вредным, когда чрезмерно загрязнен токсическими примесями. 5 декабря 1952 г. над всей Англией возникла зона высокого давления и в течение нескольких дней сохранялась безветренная погода. Однако трагедия разыгралась только в Лондоне, где была высокая степень загрязнения атмосферы. Английские специалисты определили, что смог 1952 г. содержал несколько сот тонн дыма и сернистого ангидрида. При сопоставлении загрязненности атмосферного воздуха в Лондоне в эти дни с уровнем смертности было отмечено, что смертность увеличилась прямо пропорционально концентрации в воздухе дыма и сернистого газа. Главный действующий компонент смога лондонского типа - сернистый газ (5-10 мг/м3 и выше). В смоге лондонского типа практически не образуется каких-либо новых веществ. Его токсичность целиком определяется исходными загрязнителями. Возникает он при сжигании достаточно больших количеств топлива. Особенно тяжелое положение сложилось в Лос-Анджелесе, где с 30-х годов в теплое время года, как правило летом и ранней осенью, стал появляться сухой туман с влажностью около 70%. Этот туман Называют фотохимическим смогом. Фотохимический туман может возникать при более низких концентрациях загрязнителей, чем лондонский смог, и для него более характерна желто-зеленая или сизая сухая дымка, а не сплошной туман. При смоге появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость. Погибают домашние животные, главным образом собаки и птицы. У людей фотохимический смог вызывает раздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла, симптомы удушья, обострение легочных и различных хронических заболеваний. Смог оказывает вредное влияние и на растения, особенно на салатные культуры, бобы, свеклу, злаки, виноград, декоративные насаждения. Сначала наблюдается набухание листьев. Через некоторое время нижние поверхности листьев приобретают серебристый или бронзовый оттенок, а на верхних появляются пятнистость и белые налеты. Затем наступает быстрое увядание растения. Фотохимический туман вызывает коррозию материалов и элементов зданий, растрескивание красок, резиновых и синтетических изделий, порчу одежды. Из-за плохой видимости нарушается работа транспорта. Явно выраженный сильный фотохимический туман наблюдается в Лос-Анджелесе более 60 дней в году. Отсюда и пошла печальная слава этого города как родины фотохимического тумана - явления, искусственно созданного человеком. Основной причиной образования фотохимического тумана является сильное загрязнение городского воздуха газовыми выбросами предприятий химической промышленности и транспорта и главным образом выхлопными газами автомобилей. На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет около 10 т оксида азота. В Лос-Анджелесе, где скопилось свыше 3 млн. автомобилей, они выбрасывают в воздух около 1 тыс. т этого газа в сутки. Кроме того, здесь часты температурные инверсии (до260 дней в году), способствующие застою воздуха над городом. Фотохимический туман возникает в загрязненном воздухе в результате фотохимических реакций, протекающих под действием коротковолновой (ультрафиолетовой) солнечной радиации на газовые выбросы. В процессе этих реакций возникают вещества, значительно превосходящие исходные по своей токсичности. Основные компоненты фотохимического смога - фотооксиданты (озон, органические перекиси, нитраты, нитриты, пероксилацетилнитрат), оксиды (IV) азота, оксид (II) и оксид (IV) углерода, углеводороды, альдегиды, кетоны, фенолы, метанол и т. д. Эти вещества в меньших количествах всегда присутствуют в воздухе больших городов, в фотохимическом смоге их концентрация часто намного превышает предельно допустимые нормы. Многие зарубежные крупные города (Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Детройт, Токио, Милан) подвержены лос-анджелесскому смогу. В крупных американских городах концентрация озона иногда достигает 2-3 мг/м3 и выше. Это в 100-200 раз больше, чем в чистом природном воздухе. Однако и сравнительно более низкие концентрации озона оказывают вредные воздействия на человека. В Советском Союзе явлений, подобных фотохимическому туману, не наблюдалось. По данным В. А. Попова, содержание фотооксидан-тов в атмосферном воздухе Москвы, Баку и Батуми значительно ниже, чем в городах США. Однако условия для возникновения смога могут создаться. Число автомашин растет так быстро, что при наличии достаточной ультрафиолетовой радиации в атмосфере наших городов могут иметь место те же процессы, что отмечены выше. К факторам, оказывающим неблагоприятное влияние на организм человека, относятся также соединения свинца, содержащиеся в выхлопных газах автотранспорта. В атмосферном воздухе свинец содержится почти исключительно в виде неорганических соединений. Количество свинца в крови человека возрастает с увеличением его содержания в воздухе. Последнее ведет к снижению активности ферментов, участвующих в насыщении крови кислородом, и, следовательно, к нарушению обменных процессов в организме. В литературе имеются данные о связи конкретных уровней загрязнения атмосферы с легочной патологией. Так, в исследовании, выполненном в Чикаго, указывается на обострение хронического бронхита при разных уровнях загрязнения воздуха сернистым газом. Ниже приведена зависимость обострения хронического бронхита от уровня загрязнения воздуха сернистым газом (Сагпаш а. оШ.): Концентрация сернистого газа, мг/л13 0,13 0,26 0,39 0,52 0,66 0,78 0,78 и выше Процент обострений хронического бронхита (в человеко-днях) 13,0 17,1 18,7 18,2 18,6 22,1 26,5 Многие исследователи подчеркивают связь детской заболеваемости (в первую очередь органов дыхания) со степенью загрязнения атмосферного воздуха сернистым газом. В Англии была проанализирована заболеваемость большой группы детей (3866 человек) с момента их рождения до 15 лет. Оказалось, что значительные подъемы в частоте респираторных заболеваний, как правило, наблюдались в те дни, когда уровни среднегодовых концентраций сернистого газа и дыма превышали 0,13 мг/м3. Аналогичные данные относительно частоты обострений бронхиальной астмы приводит2а1с1Ьегс1 а.о!Ь. Согласно его исследованиям при загрязнении воздуха сернистым газом- в концентрации до 0,049 мг/м3 показатель заболеваемости (в человеко-днях) взрослого населения Нашвилла (США) составлял 8,1%, при уровне загрязнения 0,150- 0,349 мг/м3 он был равен 12,0%, в районах с загрязнением воздуха выше 0,350 мг/м3 он возрастал до 43,8%. Японские исследователи также показали, что бронхиальной астмой наиболее часто заболевают в районах со значительным загрязнением атмосферного воздуха сернистым газом, причем частота случаев астмы возрастает прямо пропорционально росту концентраций сернистого газа. Загрязнение атмосферного воздуха таит в себе не только угрозу здоровью людей, но и наносит большой экономический ущерб. Так, ядовитые вещества воздуха отравляют домашний скот во Флориде, обесцвечивают краску на стенах домов и корпусах автомашин в Линкольне (штат Мэн), под их влиянием гибнут сосны, растущие в 60 милях от Лос-Анджелеса, а также фруктовые сады в Техасе и Иллинойсе, шпинат на юге Калифорнии. За загрязнение воздуха американцы ежегодно расплачиваются миллиардами долларов. Согласно оценкам Агентства по охране окружающей среды экономические потери от смертности и заболеваний в связи с загрязнением воздушной среды в США составляют ежегодно 6 млрд. долларов. Эта цифра включает и ущерб от утраты трудоспособности, а также расходы на соответствующее медицинское обслуживание. Ущерб, наносимый ежегодно экономике страны в результате коррозии и разрушения материалов, гибели растений и сокращения урожайности сельскохозяйственных культур, оценивается в 4,9 млрд. долларов. Общий экономический ущерб от загрязнения атмосферы в США составляет, по расчетам Агентства по охране окружающей среды, 16 млрд. долларов в год.

Для защиты атмосферного воздуха от загрязнения выбросами автотранспорта большое значение имеют градостроительные мероприятия, направленные на снижение концентраций выхлопных газов в зоне пребывания человека. Они включают специальные приемы застройки и озеленение автомагистралей, размещение жилой застройки по принципу зонирования: в первом эшелоне застройки - от магистрали - размещаются здания пониженной этажности, затем дома повышенной этажности и в глубине застройки - детские и лечебно-оздоровительные учреждения. Тротуары, жилые, торговые и общественные здания изолируются от проезжей части улиц с напряженным движением многорядными древесно-кустарни-ковыми посадками - три-четыре ряда и более. Важное значение имеет сооружение транспортных развязок на разных уровнях, магистралей-дублеров, кольцевых дорог, использование подземного пространства для размещения автостоянок и гаражей. Во многих городах СССР построены автомагистрали в обход городов. Так, в Саратове такая автомагистраль приняла весь поток транзитного транспорта, который раньше нескончаемой лентой тянулся по городским улицам. Резко снизилась интенсивность движения, уменьшился шум, чище стал воздух. Так как наибольший выброс продуктов неполного сгорания бензина происходит при задержках машин у светофоров, при стоянке с невыключенным мотором в ожидании зеленого света, при трогании с места и форсировании работы мотора, то необходимо устранить препятствия на пути свободного движения потока автомашин. Для этого нужны специальные автомобильные магистрали, не пересекающиеся с другими магистралями на одном уровне и движением машин или пешеходов. Необходимы переходы для пешеходов на всех пунктах скопления машин, а также эстакады или тоннели для разгрузки больших перекрывающихся потоков транспорта. В Москве, например, в районе площади Маяковского после строительства подземного тоннеля для автомобилей содержание оксида углерода (IV) в воздухе снизилось в 6-10 раз. В будущем исторически сложившиеся радиальные магистрали города и Садовое кольцо будут превращены в магистрали непрерывного движения. Планируется строительство новых скоростных кольцевых магистралей с необходимыми транспортными развязками.