Экозащитная техника и технологии

Елена Ростиславовна Разумова

Безотходные и малоотходные технологии

Для того, чтобы определить, какими способами и методами защитить природу и человека от загрязнений, следует решить несколько задач.

Первой среди них является разработка и внедрение безотходных и малоотходных технологий. Пока ограничимся определением: отходы — это добытые человеком и выброшенные им природные ресурсы. Отходы появились только в результате хозяйственной деятельности человека.

При разработке и внедрении безотходных технологий выделяют ряд взаимосвязанных принципов.

Главным из них является принцип системности. В соответствии с ним каждый отдельный процесс или производство рассматривается как элемент динамичной системы всего промышленного производства региона, а на более высоком уровне — как элемент эколого-экономической системы в целом, включающей все материальное производство, природную среду (атмосферу, гидросферу, литосферу, экосистемы, ландшафты), человека и среду его обитания. Иначе говоря, принцип системности должен учитывать взаимосвязь и взаимозависимость производственных, природных и социальных процессов.

Вторым важнейшим принципом создания безотходных производств является комплексность и полнота использования ресурсов. Этот принцип предусматривает максимальное использование всех компонентов сырья и энергоресурсов. Общеизвестно, что все природное сырье является комплексным. Например, уже сейчас все серебро, висмут, платину и более 20% золота получают попутно при комплексной переработке руд.

Третьим принципом безотходных производств является цикличность и замкнутость производственного процесса. Одним из примеров такого цикличного использования природного сырья является оборотное водоснабжение, о котором будет сказано ниже.

Принятая в 2004 г. Государственная программа «Отходы» предполагает, что отходы одной отрасли хозяйства должны стать сырьем для другой. В результате реализации этой программы должны быть решены сразу три задачи:

освобождение огромных площадей, занятых под свалками, рекультивация этих земель и возвращение их в разряд пахотных;

утилизация многих отходов помогла бы решить ряд важных сырьевых проблем, например, использование металлолома, а не руды в качестве металлургического сырья;

уменьшение загрязнения биосферы сбросами и выбросами отходов и, как результат, улучшение качества ОС и оздоровление населения России.

Для осуществления этой программы в России необходимо:

создание единого координирующего центра по формированию технической политики в области удаления отходов и банка данных по отходам, такой центр в идеале смог бы помочь утилизации подавляющей массы отходов;

идентификация видов отходов, имеющих сырьевое значение: многие отходы могут стать ценным сырьем. Например, в большинстве рудных отвалов могут содержаться редкие металлы, которые «не заметили» при добыче железа и цветных металлов;

обнаружение отходов, вызывающих наибольшее загрязнение ОС, наиболее оптимальная их утилизация или размещение. В данном случае речь идет, прежде всего, о токсичных и радиоактивных отходах;

обеспечение материально-технической базы научных и производственных подразделений, деятельность которых связана с удалением отходов;

обеспечение финансирования из федерального и региональных бюджетов проектов и научных исследований, связанных не только с проблемой переработки отходов, но и с задачами предотвращения образования отходов;

разработка системы налоговых и других финансовых льгот предприятиям и организациям, осуществляющим научные исследования в области удаления отходов.

Перечисленные выше мероприятия имеют, в основном, организационный характер. Однако главные задачи стоят в области технологии, поскольку необходимо создать по существу новую экономику, в которой все отрасли хозяйства были бы четко скоординированы и ориентированы в одном направлении — на сохранение биосферы.

Методы очистки сточных вод. Оборотное водоснабжение

Второй, не менее важной, задачей ООС является строительство очистных сооружений, предотвращающих загрязнение воды, воздуха и почвы.

Водоемы загрязняются, в основном, в результате спуска в них промышленных и бытовых сточных вод, от чего изменяются физические (температура, прозрачность, цвет), химические (кислотность, содержание органических и неорганических соединений, осадок), биологические (появление болезнетворных бактерий) и органолептические (запах, привкус) свойства воды. Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого, рыбохозяйственного, а иногда и для технического назначения.

Основные методы очистки производственных и бытовых сточных вод можно разделить на четыре группы: механические, химические, физико-химические и биологические.

Механические методы, как правило, используются на первой стадии предварительной очистки и предназначены для удаления взвесей. Сооружения механической очистки — решетки, отстойники, фильтры, разного вида уловители (например, нефтеловушки, основанные на разности плотности воды и нефти; где всплывающие на поверхность воды нефтепродукты собирают и удаляют для дальнейшего использования). Как правило, механическая очистка предназначена для подготовки сточных вод к дальнейшей очистке (химической, физико-химической, биологической).

К химическим методам относится нейтрализация кислот и щелочей, которую проводят, пропуская сточные воды через доломит, магнезит и известняки. Нейтрализация необходима для предупреждения коррозии металлов водоотводящих сетей и очистных сооружений.

Физико-химические методы основаны на свойствах поверхности некоторых веществ (например, угля) поглощать (адсорбировать) примеси вредных веществ; иногда таким поверхностно активным веществом является слой почвы. Химические и физико-химические методы особенно важны при очистке производственных сточных вод.

Биологическая очистка осуществляется путем пропускания сточных вод через биологические фильтры, содержащие сообщества микроорганизмов (бактерии, простейшие, водоросли, грибковые), которые окисляют органические примеси.

Отдельным методом очистки бытовых и сельскохозяйственных сточных вод является их обеззараживание, которое в современных условиях часто осуществляют с помощью ультрафиолетового или гамма облучения.

В различных отраслях промышленности имеется своя специфика методов очистки сточных вод, но, как правило, используется комплексная очистка, включающая все (или несколько) группы методов. Только очищенные сточные воды допускается сбрасывать в водоемы, направлять в оборотные системы водообеспечения промышленных предприятий и на сельскохозяйственные нужды.

Одним из эффективных способов экономии пресной воды является оборотное водоснабжение: предприятие однократно осуществляет забор свежей пресной воды, пускает ее в производство, а отработанные сточные воды не сбрасывает в водоем, а отстаивает, очищает с помощью описанного комплекса методов и снова пускает в работу. Получается замкнутый цикл, при этом достигаются сразу две цели: существенно сокращается водозабор и водоем практически не загрязняется сточными водами.

Качество питьевой воды

Питьевую воду получают либо из подземных водоносных горизонтов, либо из поверхностных водоемов: озер, рек, водохранилищ. В некоторых промышленных районах осуществляют обессоливание или опреснение морской воды.

Любая используемая для питья вода требует предварительной очистки.

Первой стадией такой очистки является пропускание ее через сетку или аэрация (вода разбрызгивается в виде фонтанов), в процессе чего удаляются растворенные в воде газы. Вторая стадия — хлорирование газообразным хлором (предварительное обеззараживание); третья — пропускание через уголь или квасцы (адсорбенты, очищающие от вредных органических примесей). Четвертая — коагуляция коллоидных частиц, имеющих такие размеры, что они не осаждаются на дно, но и не растворяются в воде; коагуляцию проводят, пропуская воду через вращающиеся лопасти, увеличивающие площадь контакта, в результате чего коллоидные частицы выпадают в виде хлопьев и осаждаются в отстойнике (пятая стадия очистки); после отстойника воду фильтруют, пропуская ее через слой песка, затем проводят повторное (конечное) хлорирование.

Описанная схема очистки воды имеет серьезный недостаток: как уже было сказано ранее, при взаимодействии хлора с органическими веществами в воде могут образоваться чрезвычайно токсичные соединения — диоксины, поэтому во многих странах отказались от хлорирования и обеззараживают воду озоном, являющимся сильным окислителем.

Способы очистки газовых выбросов в атмосферу

Адсорбционный — вредные примеси улавливают с помощью поглотителей, в качестве которых используют активированный уголь (как в противогазе), известняк, а также поглощающие жидкости — щелочные растворы аммиака и извести. Недостатки — необходимость установки громоздкого оборудования и периодической очистки поглощающей жидкости.

Окислительный способ заключается в выжигании вредных горючих примесей до углекислого газа и воды; правда, здесь возникает проблема выбросов излишних объемов углекислого газа.

Каталитический — пропускание выбрасываемой газовой смеси через твердые катализаторы, в качестве которых чаще всего используют металлические сетки (например, из платины или ванадия) или оксиды металлов (цинка, алюминия, марганца и т.д.). Напомним, что катализаторы — это вещества, ускоряющие химические реакции, но сами в них не расходующиеся.

Иногда бывает целесообразно использовать сочетание перечисленных выше методов (например, применяют адсорбционно-окислительный метод или каталитическое окисление).

Пока речь шла об очистке промышленных газовых выбросов. Основной вклад в такое загрязнение воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, строительной индустрии, целлюлозно-бумажной промышленности и энергетики, а также бытовые котельные.

Однако в крупных городах главным источником загрязнения воздуха является все-таки не промышленность, а автотранспорт. Сейчас на Земле постоянно функционирует около миллиарда автомобилей. Отработанные автомобильные выбросы содержат соединения свинца, кадмия, цинка, марганца, меди, хрома, кобальта, олова. Даже у совершенно здоровых людей загрязненный воздух вызывает усталость, плохой сон, кашель, головную боль. По данным медиков, в домах, стоящих рядом с крупными автомагистралями (до 10 м), жители заболевают раком в 3—4 раза чаще, чем в домах, расположенных хотя бы в 50 м от дороги. Автотранспорт также отравляет водоемы, почву и растения.

Как получить экологически чистый автомобиль? Еще более 20 лет назад возникла идея ликвидировать вредные выхлопы еще до выброса их в атмосферу, для чего на пути отработавших газов стали устанавливать каталитические нейтрализаторы, окисляющие несгоревшие углеводороды и угарный газ до углекислого газа и восстанавливающие оксиды азота до азота и кислорода. В качестве катализаторов используют благородные металлы: платину, палладий и родий. Катализатор наносят на инертную подложку из гофрированной фольги или керамики. Кроме катализаторов, выхлопные газы проходят через фильтры из пенокерамики и пенометалла.

Каталитические нейтрализаторы выпускают двух видов: окислительные и бифункциональные. Первые уменьшают выбросы оксидов углерода и углеводородов на 80—90%, в них осуществляется дожигание продуктов неполного сгорания с помощью нагнетателей, пульсаров или эжекторов. Вторые снижают количество выбрасываемых оксидов углерода, углеводородов и оксидов азота на 70—80%, в них происходит, с одной стороны, восстановление оксидов азота до азота и кислорода, с другой — окисление оксидов углерода и углеводородов до углекислого газа и воды. Чтобы эти процессы протекали эффективно и синхронно, состав горючей смеси необходимо поддерживать в очень узких пределах, для чего используют специальный датчик — зонд.

В выхлопных газах дизельных двигателей концентрация оксидов углерода и углеводородов значительно ниже, чем у двигателей с искровым зажиганием, но в больших количествах образуется сажа и оксиды азота. Поэтому на дизельных двигателях устанавливают не только окислительные нейтрализаторы, но и сажевые фильтры.

Описанные выше катализаторы и фильтры устанавливают на автомобилях иностранного производства. Разумеется, такие шаги значительно повышают стоимость машин, поэтому цена иномарок в несколько раз превышает стоимость отечественных. Но жесткие экологические требования, введенные в европейских странах, вынуждают производителей идти на эти затраты, поскольку в результате повышается эффективность сохранения чистоты атмосферного воздуха.

Однако любой катализатор не вечен: через определенное время (как правило, 7 лет) его эффективность снижается, и тогда хозяин автомобиля вынужден платить налог за загрязнение воздуха. Именно в этот момент европейский или японский владелец машины и стремится продать ее. Куда? Ну, конечно, в Россию, где присутствует автомобильный дефицит, а автовладельцы не платят налог за загрязнение! Наши отечественные машины пока не оснащают катализаторами и фильтрами, а многочисленные иномарки на наших дорогах, как правило, подержанные, выпущены 7 и более лет назад. Результатом этого является катастрофически грязный воздух в наших городах, что приводит, как мы уже говорили, к повышенному уровню заболеваемости населения.

Каковы же перспективы? Одна из ближайших и реальных — переход от бензинового топлива к газовому. Газ считается экологически более чистым видом топлива по сравнению с нефтяными фракциями, поскольку он лучше выгорает и не дает токсичных выбросов, а только углекислый газ и воду.

Другой выход — оснащение автомобилей дизельными двигателями, дающих экономию горючего в 20—30%; кроме того, в их выбросах практически отсутствует угарный газ и нет соединений свинца. Однако машины с дизельными двигателями необходимо оборудовать еще и сажевыми фильтрами.

В качестве возможного заменителя природного газа, бензина и дизельного топлива часто называют водород, получаемый из воды. При сжигании водород снова превращается в воду. Опытные образцы автомобилей дали хорошие результаты, однако об их повсеместном использовании говорить пока рано: водород очень взрывоопасен, еще не решены технические вопросы методики заправки водородного двигателя и хранения такого топлива внутри автомобиля.

Наконец, одной из реальных перспектив является электромобиль. Пока все варианты этого средства передвижения сильно проигрывают автомобилю: они дают существенно более низкие скорости, довольно тяжелы из-за массивных аккумуляторов, требуют частой подзарядки. Но эти проблемы — чисто технические и вполне решаемы в будущем.

Весьма перспективными для городов, особенно на окраинах, являются и другие транспортные средства на электрической тяге, в частности, скоростные трамваи, пересекающиеся с городскими магистралями на разных уровнях. Строительство для такого трамвая пути, протяженностью в километр, обходится примерно в 10 раз дешевле строительства аналогичного участка линии метрополитена.

В крупных городах для снижения вредного воздействия загрязненного воздуха на здоровье людей применяют специальные градостроительные принципы зональной застройки жилых массивов. Вблизи дорог располагают низкоэтажные здания торговых комплексов, затем многоэтажные жилые корпуса, а под их защитой — детские и лечебные учреждения. В последние годы в России начали строить транспортные развязки без пересечений (увы, третье автомобильное кольцо в Москве не решило транспортную проблему столицы).

Таким образом, человечество уже накопило богатый опыт борьбы с загрязнениями ОС в виде экозащитных методик. Главными задачами сегодня являются технологические — внедрение описанных методик в повседневную жизнь.

Выводы и итоги

Главным техническим подходом в ООС является внедрение малоотходных и безотходных технологий, когда отходы одной отрасли хозяйства становятся сырьем для другой.

Сточные воды следует очищать механическими, химическими, физико-химическими и биологическими методами.

Одним из самых эффективных способов экономии пресной воды является оборотное водоснабжение.

Питьевая вода проходит несколько стадий очистки и обеззараживания. Хлорирование воды может вызвать образование токсичных соединений.

Для очистки газовых выбросов в атмосферу используют абсорбционный, окислительный и каталитический методы.

В настоящее время человечество занято интенсивными поисками создания экологически чистого автомобиля.

Список литературы

Акимова Т.А., Хаскин В.В. Основы экоразвития. М.,1999.

Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды. Словарь-справочник. М., 1992.

Реймерс Н.Ф. Экология. М., 1994.

Шилов И.А. Экология. М., 2001.

Хатунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность. М., 2002.