Текст книги "Основные технологии переработки промышленных и твердых коммунальных отходов"

Л. Б. Хорошавин, В. А. Беляков, Е. А. Свалов
Основные технологии переработки промышленных и твердых коммунальных отходов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое учебное пособие разработано в помощь студентам при изучении ими дисциплины «Экология городской среды» в соответствии с рабочей программой дисциплины профессионального цикла в седьмом семестре обучения. Может быть полезно при изучении дисциплины «Экология производства строительных материалов и изделий», читаемой студентам, будущим бакалаврам, обучающимся по направлению «Строительство».

Структура работы, последовательность изложения тем подчинены задаче создать у читателя представление о наиболее важных областях экологической науки, обязательных для изучения в рамках университетского курса указанных дисциплин. В первую очередь рассмотрены общие экологические проблемы, присущие как крупным городским агломерациям, так и малым населенным пунктам, расположенным вблизи промышленных предприятий. Выполнены анализ оценки воздействия объектов промышленности на окружающую среду, а также экономическая оценка ущерба от загрязнения городской среды. Приведены нормативы качества и показатели состояния окружающей среды города.

В учебном пособии рассмотрены классификация твердых коммунальных отходов и основные технологии их переработки: количество и вещественный состав, сбор, сортировка, хранение и транспортировка мусора на мусороперерабатывающие заводы; технологии переработки твердых промышленных и коммунальных отходов, их комплексная переработка и возможные области применения продукции на основе вторичного сырья. Показана система организации управления твердыми бытовыми отходами. Обоснована целесообразность перехода на полную переработку не пригодных для дальнейшего использования пищевых продуктов, предметов быта и товаров, потерявших потребительские свойства, по безотходным экологически чистым технологиям с прогрессивным налогообложением переработчиков и изготовителей продукции из отходов. Особенностью данного пособия по сравнению с уже имеющимися по данному курсу является включение нового материала о развити технологий по переработке радиоактивных отходов, а также об отходах, образующихся при природных и техногенных чрезвычайных ситуациях.

В заключительной части пособия даны рекомендации и предложения по рациональной организации природопользования, экологическому мониторингу отходов и контролю в сфере обращения с отходами. Обобщены теоретические основы и приведены основные направления по регулированию качества окружающей среды, определенные действующими правовыми и нормативными документами, обозначены пути и выдвинуты предложения для устойчивого экологического развития городов России.

Авторами данного издания являются Л. Б. Хорошавин, доктор технических наук, академик Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы, ведущий научный сотрудник Уральского отделения Академии технологических наук РФ, старший научный сотрудник, научный консультант по теплоупорам (тел. 8-922-13-33-862) (введение, глава 4 и заключение); В. А. Беляков, кандидат технических наук, доцент кафедры «Городское строительство» Строительного института и кафедры «Материаловедение в строительстве» Института материаловедения и металлургии» (тел. 8-922-22-83-482) (главы 1–3); Е. А. Свалов, председатель Комитета по экологии и природопользованию администрации Екатеринбурга (тел. 354-55-50) (предисловие, подбор и анализ справочных материалов, приложения и общая редакция текста работы).

При подготовке учебного пособия использованы материалы учебников и учебных пособий по экологии, охране окружающей среды, природопользованию отечественных и зарубежных авторов (указания на них содержатся в библиографических ссылках).

ВВЕДЕНИЕ

Никакой живой организм не может жить в создаваемых им отходах.

Второй закон В. И. Вернадского

Главной задачей переработки промышленных и коммунальных отходов является оздоровление окружающей среды, резкое снижение ее загрязнения и мутации путем переработки любых отходов по безотходным экологически чистым технологиям с выпуском высокоценной продукции. При этом должен строго выполняться основной экологический закон: техногенный мир, создаваемый человеком, необходимо развивать строго гармонично, в соответствии с развитием Мира, созданного Природой. Невыполнение данного закона привело к созданию в нашей стране жесточайшего экологического кризиса.

В различных учебниках по экологии указывается, что если существующее в мире положение с отходами будет сохраняться и дальше, то человечество погибнет через 20, 40 и в самом оптимистическом случае – через 100 лет.

Призывы к борьбе с отходами практически ничего не дают: количество их, например, в нашей стране продолжает увеличиваться на 4 млрд т ежегодно, загрязнение окружающей среды резко возрастает, дефицит кислорода в атмосфере достиг 10 %, растут мутации и болезни человека. Так, в мире только в 2012 г. от загрязнения атмосферы погибло около 7 млн человек.

В настоящее время в нашей стране отходы составляют 90–98 % от всех добываемых природных ресурсов, т. е. промышленность работает в основном на производство отходов. Накопилось уже 8 млрд м³ промышленных и коммунальных отходов. Полигоны заполнены в среднем по стране на 50–90 %. Объем отходов животноводческих предприятий и птицефабрик в виде навоза, помета и сточных вод составляет около 700 млн м³ в год, а под хранение этих отходов занято более 2 млн га земли. Поэтому необходимо до 2020–2025 гг. ввести полный запрет на складирование твердых коммунальных отходов на более чем 200 полигонах и свалках, где их скопилось 31 млрд т.

Следует от призывов переходить к созданию действительно работающих в Российской Федерации эколого-экономических законов по переработке отходов. И главным в них должно стать экономическое стимулирование:

– создание полностью безналоговых предприятий, перерабатывающих отходы, изготовливающих высококачественную продукцию из отходов, и полное освобождение от всех налогов предприятий, потребляющих эту продукцию;

– снижение налогов на безотходные предприятия и соответственно резкое увеличение налогов на отходные предприятия с целевым направлением этих средств на безотходные предприятия;

– снижение отходов от природных и техногенных чрезвычайных ситуаций;

– финансовое стимулирование предприятий и людей, достигших успехов в борьбе с отходами.

Фактически отходы одного предприятия являются наиценнейшим сырьем для другого предприятия. Поэтому в экономике должна существовать единая технологическая цепочка производства продукции, наиболее эффективной формой которой является кластерная форма экономики. Конкретной областью в этом направлении является переработка отходов в нужную продукцию.

Существует великое множество различных отходов, для каждого из которых имеется своя оптимальная технология переработки. Охватить их все в одном издании практически невозможно. Поэтому приведем только отдельные виды отходов и технологии их переработки.

Фактически из одних отходов, а также от их оптимального объединения и совместной переработки можно получать многие виды ценнейшей продукции. В перспективе необходимо переходить на безотходные, экологически чистые технологии. Для их разработки следует привлекать институты РАН России, отраслевую и заводскую науку, инвесторов, чиновников.

Переработка отходов немыслима без экологической культуры – повышения уровня экологического образования и экологического воспитания. Это означает формирование человека как творческой личности с высоким уровнем экологических знаний, интеллекта и патриотизма.

Для общего руководства и финансирования переработки отходов необходимо создание отдельного федерального органа «Росвторресурс» с региональными объединениями с целью выполнения государственной программы «Экологическая доктрина Российской Федерации на 2010–2020 годы» (прил. 1) и «Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года» (прил. 2). В пособии приведены также образцы постановлений по обращению с отходами (прил. 3).

Терминология, принятая в экологии

Экология – наука, изучающая закономерности взаимодействия человека с окружающей средой, вопросы сохранения и развития здоровья, совершенствования физических и психических возможностей человека. Это бурно развивающаяся наука, охватывающая практически все стороны деятельности человека. Поэтому, как и положено в подобных науках, здесь используется множество различных терминов, обозначающих соответствующие процессы и явления. Ниже приводится принятая авторами терминология, отражающая их взгляды на проблему, а также на некоторые законы природы и экологии.

Абиотические факторы – факторы неживой природы и биотические факторы, факторы живой природы, оказывающие прямое или косвенное влияние на живые организмы.

Биогеоценоз – наземная экосистема, объединяющая на основе обмена веществ, энергии и информации сообщества живых организмов (биоценоз) с пространственной совокупностью абиотических сообществ (биотопом).

Биосфера – глобальная экосистема, особая активная оболочка Земли, состав, строение и энергетика которой определяются деятельностью живых организмов.

Биота – любая пространственная совокупность всех живых организмов безотносительно к категории сообщества (например, биота суши, биота океана, биота биосферы и др.).

Вред окружающей среде – отрицательное изменение окружающей среды в результате ее загрязнения, повлекшее за собой деградацию естественных экологических систем и истощение природных ресурсов.

Геоэкология – междисциплинарная наука о взаимодействии геологических, географических, биологических и социально-производственных систем. Изучает разумное, экологически безопасное природопользование, частные геосферы и проблемы, связанные с деятельностью человека.

Загрязнение окружающей среды – поступление в окружающую среду вещества, энергии, свойства, местоположение, количество которых оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду.

Инженерная экология – междисциплинарная наука, изучающая влияние промышленности, всего хозяйства – от отдельных предприятий до техносферы – на природу и, наоборот, влияние условий окружающей среды на функционирование предприятий и их комплексов.

Качество окружающей среды – состояние окружающей среды, которое характеризуется физическими, химическими, биологическими и иными показателями или их совокупностью.

Ноогенез – процесс формирования ноосферы.

Ноосфера – сфера разума согласно В. И. Вернадскому, качественно новая, высшая стадия развития биосферы под контролем разумной деятельности человека.

Оздоровление окружающей среды (вместо охраны окружающей среды) – деятельность органов государственной власти РФ, общественных организаций, отдельных лиц, направленная на сохранение и восстановление природной среды, предотвращение отрицательного воздействия хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду и ликвидацию ее последствий.

Окружающая среда – совокупность компонентов природной среды, природных, природно-техногенных и техногенных объектов.

Техногенез – процесс развития культуры и техники, порождающий изменения в окружающей человека среде.

Техносфера – часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в инженерно-технические сооружения: города, заводы, карьеры, шахты, дороги, плотины, водохранилища и др., все, что создано человеком; это техногенный мир, в отличие от природного мира, того, что создано природой.

Экология природопользования – экологизация совокупности всех форм эксплуатации природно-ресурсного потенциала и мер по его сохранению и восстановлению.

Экосистема – комплекс, в котором абиотические и биотические компоненты связаны обменом веществ, энергии и информации, самая крупная экосистема – биосфера.

Экоразвитие – экономически ориентированное социальноэкономическое развитие, при котором рост благосостояния людей не сопровождается ухудшением состояния среды обитания и деградацией природных систем, а, наоборот, сопровождается повышением качества окружающей среды.

Экологический мониторинг – комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и техногенных факторов.

Экологический контроль – система мер, направленных на предотвращение, выявление и пресечение нарушений законодательства в области охраны окружающей среды, обеспечение соблюдения субъектами хозяйственной и другой деятельности требований, в том числе норматив и нормативных документов, в области охраны окружающей среды.

Экологический аудит – независимая комплексная, документированная оценка соблюдения субъектами хозяйственной и иной деятельности требований, в том числе нормативов и нормативных документов, в области охраны окружающей среды, требований международных стандартов и подготовка рекомендаций по улучшению такой деятельности.

Экологический риск – вероятность наступления события, имеющего отрицательные последствия для природной среды и вызванного отрицательным воздействием хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайными ситуациями природного и техногенного характера, их последствий.

Экологическая безопасность – состояние защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от возможного отрицательного воздействия хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Экологические факторы – определенные условия и элементы среды, оказывающие специфическое воздействие на неживую и живую природу. Подразделяются на абиотические (совокупность факторов неорганической среды), биотические (совокупность факторов органической среды) и техногенные (совокупность факторов техногенной среды, порожденной человеком).

Экологический интеллект – экологическое сознание, экологический разум, направленные на оздоровление природы, воспитание любви к природе и патриотизма.

Экологическая культура – гармоничное единство экологического образования и экологического воспитания, направленных на повышение уровня знаний, интеллекта и формирование активной природоохранной позиции с оздоровлением окружающей среды и воспитанием истинной любви к природе.

Важнейшие разделы экологической науки

Синергетическая экология – раздел экологии, в котором изучаются обратные процессы самоорганизации и восстановления самой природы, произошедшие в ней под воздействием техногенных процессов ее сохранения и восстановления.

Энергетическая экология – раздел экологии, в котором изучаются энергетические процессы взаимодействия растений, животных и человека с окружающей средой с целью ее сохранения и оздоровления.

Экономическая экология – раздел экологии, в котором изучаются экономические последствия воздействия техногенных процессов на состояние природы с целью ее сохранения и оздоровления.

Отходная экология – раздел экологии, в котором изучается ликвидация любых отходов, особенно наиболее вредных радиоактивных отходов, с целью сохранения природы и ее оздоровления.

Основные законы природы, биологии и экологии

Четыре закона Б. Коммонера

1. Все связано со всем. Этот закон предостерегает население нашей планеты от необдуманных действий.

2. Все должно куда-то деваться. Закон говорит о том, что нужно постоянно думать и действовать в сфере утилизации отходов. Если просто создавать свалки, это ни к чему хорошему не приведет. Европейские страны на основе данного закона следуют практике раздельного сбора отходов.

3. Природа «знает» лучше. Этот закон часто забывают политики и строители. Он о том, что человек – часть природы. И иногда не нужно пытаться переделывать природу, так как природа «знает» лучше.

4. Ничто не дается даром. Природопользование должно быть рациональным. Государство расходует все большие объемы энергии на утилизацию отходов, люди же платят собственным здоровьем за широкое внедрение достижений научно-технического прогресса.

Данный закон является не только экологическим, но и общечеловеческим и даже общефилософским.

Закон биогенной миграции атомов (В. И. Вернадский). «Миграция химических элементов на земной поверхности в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О₂, СО₂, Н₂ и др.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле на протяжении всей геологической истории».

Основной вывод: следует сохранить живой покров Земли в относительно неизменном виде.

Закон внутреннего динамического равновесия. «Вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает соответствующие изменения других» (Н. Ф. Реймерс).

Основной вывод: взаимодействие экологических компонентов среды нелинейно. Слабое взаимодействие или изменение одного показателя может вызвать сильные отклонения в других показателях и всей системы в целом. Это еще раз подтверждает целесообразность исследования нелинейных зависимостей между параметрами и их прогнозирования компьютерными методами искусственного интеллекта.

Природа нелинейна, так как в ней существуют только открытые системы, обменивающиеся друг с другом веществом, энергией и информацией.

Закон константности количества живого вещества биосферы (В. И. Вернадский). «Количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть константа».

Основной вывод: любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы должно быть компенсировано в каком-либо другом регионе. В соответствии с постулатами видового обеднения высокоразвитые виды и экосистемы будут заменяться эволюционно объектами более низкого уровня. При этом будет происходить процесс ухудшения видового состава экосистем, и полезные для человека виды будут замещаться менее полезными, нейтральными или даже вредными.

Закон конкурентного исключения (Г. Ф. Гаузе). «Два вида не могут существовать в одной экологической нише, если их потребности идентичны. Если экологическая ниша освобождается, ее заполняют экологически близкие формы».

Основной вывод: необходимо соблюдать состояние баланса, «бистабильности», между конкурирующими видами либо популяциями в природе.

Закон корреляции (Ж. Кювье). «В организме, как целостной системе, все его части соответствуют друг другу как по строению, так и по функциям».

Основной вывод: изменение одной из частей организма или отдельной функции влечет за собой изменение других частей или функций. Целесообразно добавить, что подобная корреляционная зависимость существует в неживой природе.

Закон максимизации энергии (Г. и Э. Одум) и информации (Н. Ф. Реймерс). «Наилучшими шансами на выживание обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации; максимальное поступление вещества не гарантирует системе успеха в конкурентной борьбе».

Основной вывод: система обеспечивает круговорот различных веществ и создает накопители (хранилища) высококачественной энергии и информации.

Закон минимума (Ю. Либих). «Выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей».

Основной вывод: организм в определенной мере может заменить одно вещество другим, близким ему по функциональным и химическим свойствам [62].

Закон ограниченности природных ресурсов. «Все природные ресурсы (и условия) Земли конечны».

Основной вывод: количество искусственно привнесенной энергии в биосферу уже достигло предельных значений.

Закон оптимальности. «С наибольшей эффективностью любая система функционирует в пространственно-временных функциях. Размер любой системы должен соответствовать ее функциям».

Основной вывод: игнорирование закона – создание огромных площадей монокультур, выравнивание ландшафта массовыми застройками и т. п. – приводит к неприродному однообразию на больших территориях и вызывает нарушения в функционировании экосистем, экологические кризисы.

Закон падения природно-ресурсного потенциала. «Со временем природные ресурсы делаются все менее доступными и требуют увеличения затрат труда и энергии на их извлечение».

Основной вывод: необходимо научно-техническое совершенствование, развитие и внедрение новых эффективных технологий, снижающих затраты труда и энергии и сохраняющих природные ресурсы.

Закон толерантности (В. Шелфорд). «Лимитирующим фактом жизни организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости, толерантности организма к данному фактору».

Закон Шелфорда можно применить к нормированию содержания загрязняющих веществ в воздухе, воде, почве, пищевых продуктах.

Основной вывод: охранять окружающую среду – значит обеспечивать состав и режим экологических факторов в пределах унаследованной толерантности живого, в первую очередь человеческого, организма, т. е. управлять им так, чтобы ни один фактор не оказался лимитирующим по отношению к организмам.

Закон физико-химического единства живого вещества (В. И. Вернадский). «Все живое вещество Земли физико-химически едино».

Основной вывод: любые вещества или иные экологические воздействия, смертельные для одних видов, оказывают такое же воздействие на другие организмы.

Закон единства всеобщих законов неживой и живой природы. «Всеобщие законы неживой и живой природы едины ввиду единства материального мира от Вселенной до элементарных частиц материи» [1].

Основной вывод: законы материального мира едины для неживой и живой природы, состоящей из одних и тех же атомов, но отличаются их количеством, структурой и химическими связями. Поэтому все атомы управляются электромагнитной энергией для создания веществ и изделий.

Упорядочение терминологии в соответствии с Международной системой единиц СИ

Предлагается упорядочить терминологию в обширной области материаловедения (размер частиц, пористость, пустотность, структура, технология) и привести ее в соответствие с Международной системой единиц СИ [39]. За основу упорядоченности принят закон постоянного увеличения дисперсности и уровня мышления в направлении от макро (10^– 3 м) → микро (10^– 6 м) → нано (10^– 9 м) до пико (10^– 12) уровней (табл. 1).

Упорядочение позволяет применить единую терминологию указанных параметров в различных областях материаловедения и исключить устаревшую малоинформативную терминологию, такую, например, как «ультрадисперсные частицы», «сверхтонкие», «супертонкие» и др.

Таблица 1

Упорядочение терминологии в области размера частиц, пористости, пустотности, структуры, технологии и уровня мышления в соответствии с Международной системой единиц СИ

Приведенные во введении основные понятия и термины необходимы для объективного познания экологии окружающей среды и технологий переработки отходов [1, 40].