Рациональное природопользование и охрана окружающей среды

Лекция 2 РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 1.1. Охрана гидросферы Для предупреждения засорения поверхностных вод планеты принимают меры, исключающие попадание в водоемы и реки строительного мусора, твердых отходов остатков лесосплава и других предметов, негативно влияющих на качество вод, условия обитания рыб и др. Важнейшая и наиболее сложная проблема - защита вод от загрязнения. 1.1.1. Характеристика гидроресурсов и сточных вод Гидросфера - водная оболочка Земли - совокупность, океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных вод, это самая тонкая оболочка нашей планеты, составляющая лишь 10-3 % от общей ее массы. Роль воды во всех жизненных процессах общеизвестна. Например, человек без воды не может прожить более 8 суток, а за год он на свои нужды расходует около 1 тонны воды. Основной потребитель пресной воды - сельское хозяйство: она идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов и т.п. Для выращивания 1 т пшеницы необходимо воды 1500 т , 1 т риса - 7000 т, 1 т хлопка - 10 000 т. Вода необходима практически всем отраслям промышленности. На производство 1 т чугуна требуется воды 50 -150 т, 1 т пластмасс - 500 -1000 т, 1 т цемента - 4500 т, 1 т бумаги - 100 000 т. На электростанциях мощностью 300 тыс. кВт расход воды составляет 300 млн. т/год. Перечисленные производства потребляют только пресную воду. Расчеты же показывают, что пресная вода на планете составляет всего 2,5% от всех запасов воды, 85% - соленая вода морей и океанов, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды на Земле распределены крайне неравномерно: 72,2% - льды; 22,4% - грунтовые воды; 5,05% - устойчивый сток рек и вода озер; 0,35% - атмосферная вода. В свою очередь, на долю пресной воды, которую человечество может использовать, приходится всего 10-2 % пресной воды на Земле. Наблюдается постоянный рост водопотребления как на производственные, так и на бытовые нужды людей. В среднем в городах с населением более 1 млн. человек потребляемся воды: в Москве - 400, в Лондоне - 170, в Санкт -Петербурге - 500, в городах США - 200, в Париже - 130, в Берлине - 250, в Брюсселе - 85 л/сутки на человека. Интенсивная хозяйственная деятельность человека привела к деградации гидросферы - загрязнению и истощению поверхностных и подземных вод. Истощение вод - недопустимое сокращение их запасов в пределах определенной территории (для подземных вод) или уменьшение минимально допустимого стока (для поверхностных). И то и другое приводит к неблагоприятным экологическим последствиям, нарушает сложившиеся связи в системе человек - биосфера. Практически во всех крупных городах мира, где подземные воды длительное время эксплуатировались мощными водозаборами, возникли значительные депрессионные воронки (понижения) с радиусами 20 км и более, их образование может, в свою очередь, вызывать медленное оседание и деформацию земной поверхности. В Москве глубина депрессии достигает в отдельных районах города 110 м. По данным Государственного водного реестра, в 90-е гг. в России подземные водозаборы достигали 125 млн. м3/сутки. В результате на значительных территориях резко изменились условия взаимосвязи подземных вод с другими компонентами природной среды, нарушилось функционирование наземных экосистем: сокращение речного стока, высыхание родников, ручьев и небольших рек, осушение заболоченных территорий с большим видовым разнообразием растительности, гибель лесов, влаголюбивой растительности - гигрофитов и др. Истощение поверхностных вод проявляется в прогрессирующем снижении их минимально допустимого стока. Этот процесс объясняют уменьшением уровня водности и чистоты малых рек (длиной не более 100 км), наиболее уязвимого звена в речных экосистемах. Именно они оказались восприимчивыми к антропогенному воздействию. В настоящее время состояние малых рек и озер, особенно в Европейской части России, катастрофическое. Сток малых рек снизился более чем наполовину, качество воды в них неудовлетворительное. Многие полностью прекратили свое существование. Истощение вод (поверхностных и подземных) обусловлено изъятием на хозяйственные нужды большого ее количества. Примером может служить трагедия Аральского моря вследствие недопустимо высокого забора воды на орошение из Амударьи и Сырдарьи. Осушенное дно Арала стало сегодня крупнейшим источником пыли и солей, а изменение приаральского ландшафта можно охарактеризовать как опустынивание; человек "своими руками" создает на Земле новую пустыню, К другим значительным видам воздействия человека на гидросферу следует отнести создание крупных водохранилищ, которые коренным образом меняют природную среду на прилегающих территориях. Это затопление значительных площадей плодородных земель, изменение режима подземных вод, разрушение берегов (оползни, карст), активация сейсмической деятельности, подтопление близлежащих территорий, прекращение естественного воспроизводства многих ценных пород рыб и т.д. Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ. Оно проявляется в изменении физических и органолептических свойств (снижение прозрачности, появление окраски, запаха, привкуса), увеличении содержания солей (сульфатов, хлоридов, нитратов, тяжелых и радиоактивных элементов ит.д.), появлении болезнетворных микроорганизмов, сокращении растворенного в воде кислорода и т.п. Так, в результате минерализации воды количество солей в водах постоянно растет, даже в такой объемной водной системе, как бассейн реки Волги с ее притоками Камой и Окой. В раде небольших рек, например в Северном Донце: вода уже не пресная, а солоноватая. Средняя минерализация рек Украины составляет 2-3 г/л. В Каму поступают промышленные стоки с минерализацией 1,5 - 5,0 г/л. В настоящее время многие реки Урала не могут быть использованы как источники водоснабжения. Основная причина засоленности вод - истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода слабее задерживается в почве, не увлажняет ее, не пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в море. Для снижения засоленности рек следует проводить посадку лесов. Другая причина - дренажные воды, объем их сброса к 2005 г. составит 40 - 45 км3. Системы орошения потребляют обычно 1 - 2 тыс. м3/га, их минерализация составляет до 20 г/л. Наибольший след в минерализации воды оставляет сброс промышленных стоков. Поданным 2000 г, их объем в России был равен объему стока такой большой реки, как Кубань. Для характеристики сточных вод существуют следующие показатели (условия спуска сточных вод в водоемы регламентируются "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами"): мутность воды - масса дисперсных частиц (мг), взвешенных в 1 л воды (мг/л); измеряется с помощью мутнометра. В нем исследуемую воду сравнивают с эталонным раствором, приготовленным из каолина (сорт глины) или инфузорной земли в дистиллированной воде; цветность воды - показатель качества воды, определяемый сравнением интенсивности окраски испытуемой воды со стандартной шкалой, выражается в градусах цветности; сухой остаток - масса вещества (мг), которое остается после выпаривания 1 л воды (мг/л); кислотность воды измеряется в единицах рН; природная вода обычно имеет щелочную реакцию (рН > 7); жесткость воды - содержание солей в воде, в основном кальция и магния. Различают три вида жесткости: общую, обусловленную присутствием солей кальция и магния (Са2+ и Мg2+); постоянную, связанную с содержанием ионов СI- и SO2-4(кипячение воды в течение. 1 ч не устраняет ее); устранимую (временную), предотвращаемую кипячением воды; при этом протекает реакция: Са(НСО3)2→СаСО3↓ + СО2↑+Н2О Жесткость измеряется в мг-экв/л солей магния и кальция (1 мг-экв. соответствует 28 мг СаО) и в градусах (1º - количество солей кальция и магния, соответствующее 10 мг СаО в 1 л воды); растворимый кислород - это концентрация растворенного в воде кислорода (мг/л), зависящая от температуры воды и барометрического давления. Чем выше температура воды и ниже атмосферное давление, тем меньше растворимого в воде кислорода; биологическая потребность в кислороде - количество кислорода, поглощаемое микроорганизмами в сточных водах, она численно равна уменьшению количества растворенного в воде кислорода в течение 5 или 20 суток при температуре 20°С. В зависимости от условий образования сточные воды делятся на: бытовые - стоки душевых, прачечных, бань, столовых, туалетов, стоки от мытья полов и т.п. Их объем в среднем составляет 0,5 - 2 л/с с 1 га жилой застройки города, они содержат ~ 58% органических и ~ 42% минеральных веществ; атмосферные или ливневые стоки; по статистике 1 раз в год происходит ливневый сток 100 - 150 л/с с 1 га; 1 раз в 10 лет - 200 -300 л/с с 1 га. Особенно опасны ливневые стоки для промышленных предприятий: из-за неравномерности и непредсказуемости сбор и очистка их затруднены; промышленные - жидкие отходы, которые возникают в процессе промышленного производства. Водоемы - сложные экологические системы, которые создавались в течение длительного времени. В ходе биотического круговорота и хозяйственной деятельности человека в них постоянно поступают органические и неорганические вещества естественного и антропогенного происхождения. Поэтому в водоемах идут процессы, возвращающие экосистемы к первоначальному состоянию, - процессы самоочищения. Важнейшие из них: • коагуляция и осаждение взвешенных в воде частиц; • окисление (минерализация) органических примесей; • окисление минеральных примесей растворенным в воде кислородом; • нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема; • гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из воды и др. Если поступление веществ в водоемы не превышает их естественной очистительной способности (емкости), то водная экосистема способна находиться в состоянии равновесия - гомеостазе. Если же очистительная способность водоемов будет превышена, то отклонения от состояния равновесия в экосистеме будут столь сильными, что произойдет гибель популяций водных организмов. В таких условиях возврат к исходному состоянию равновесия уже невозможен, а следовательно, экосистема в целом погибает. Самое важное условие правильного протекания биохимических процессов в водоемах и обеспечения ими самоочищения воды - оптимальная концентрация растворенного кислорода. Если кислорода недостаточно, то высшие организмы погибают. Органические соединения вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением сероводорода, углекислого газа, метана и водорода, а оно создает вторичное загрязнение водоема. Основной критерий качества воды в нашей стране - сравнение с предельно допустимой концентрацией веществ (ПДК) (в настоящее время вместо ПДК используют ВДУ - временно допустимые уровни (загрязнения)), содержащихся в воде. Если концентрации веществ в воде не превышают ПДК, то качество воды считается хорошим. При этом сброс в водоемы новых веществ, ПДК которых не определены, запрещен. Но ПДК установлены далеко не для всех веществ, кроме того, в справочниках имеются значения не для сточных вод, а для водоемов. У хозяйственников по этой причине появляется желание достичь заданного ПДК простым разбавлением сточных вод, что часто они и делают. Около половины объема сточных вод на Земле перед сбросом в водоемы вообще не подвергается специальной очистке. Их обезвреживание состоит лишь в разбавлении чистой водой и самоочищении водоемов. Так, сточные воды заводов по производству полиэтилена и полистирола разбавляют в 30 раз, синтетического каучука- в 185 раз. Выход из создавшегося положения - образования замкнутых водооборотных систем. 1.1.2. Замкнутые водооборотные системы Стоимость очистки сточных вод очень велика. Так, если принять стоимость 90%-ной очистки за 1 единицу, то очистка на 99% дороже в 10 раз (10 единиц), а очистка стоков на 99,9%, которая как раз и требуется чаще всего, будет больше уже в 100 раз, т. е. составит 100 единиц. Поэтому частичная очистка сточных вод от загрязнений с целью их повторного использования в том же производстве оказывается значительно дешевле их полной очистки. На этой концепции базируются замкнутые водооборотные системы - системы очистки промышленных стоков, в которых локально очищенная вода не сбрасывается в окружающую среду, а направляется снова в производственный цикл. Для оценки качества замкнутых водооборотных систем предприятий используется критерий кратности использования воды в обороте(n): n= где Qисп - общий обьем воды, потребляемый предприятием; Qз - забор свежей воды предприятием. Величины Q измеряют в м3/ч или м3/т сырья либо продукции. Чем больше кратность использования, тем совершеннее схема водоснабжения. В США среднее значение n в 2000 г. составило 7,5, в России по отраслям: нефтехимия - 7; черная и цветная металлургия - 5,25; пищевая промышленность - 3; теплоэнергетика - 2,25; производство стройматериалов - 1,6; легкая промышленность - 1,3. В ближайшие, годы в России планируется довести этот показатель до 7 (в среднем по предприятиям), а в США - до 27. Создание замкнутых систем водного хозяйства - весьма сложная задача. Крайне разнообразный химический состав сточных вод делает невозможной разработку универсальной бессточной технологической схемы. Поэтому можно говорить лишь об общих принципах создания и проектирования бессточных схем: • разработке научно обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах и операциях. В подавляющем большинстве случаев нет необходимости в использовании воды питьевого качества; • максимальном внедрении систем воздушного охлаждения вместо водяного. Так, например, в результате внедрения установок воздушного охлаждения на предприятиях нефтепереработки потребление воды в среднем сократилось на 110 - 160 млн. м3/год (Омский нефтеперерабатывающий завод); • размещении на промышленных площадях комплекса производств (так называемых территориально-производственных комплексов), что должно обеспечить возможность многократного (каскадного) использования воды в технологических процессах и операциях; • применении воды для очистки газов от твердых частиц, это допустимо только в замкнутых циклах. 1.1.3. Методы очистки сточных вод Загрязненные сточные воды - это воды, которые в процессе использования засоряются различными компонентами и сбрасываются без очистки, а также те, которые проходят очистку при норме, ниже установленной органами Государственного комитета РФ по охране окружающей среды. Сброс таких вод вызывает ухудшение качества воды в водном объекте. Очистка промышленных стоков - это комплекс различных методов. Наиболее широко используется комбинация механической, реагентной (химической) и биохимической очисток. 1. Механическая очистка стоков включает в себя: отстой сточных вод в специальных отстойниках, в результате которого происходит осаждение взвешенных в воде частиц; сбор нефтепродуктов и других нерастворимых в воде жидкостей с поверхности воды в отстойниках; фильтрацию воды через слой песка толщиной 1,5 - 2 м. 2. Реагентная (химическая) очистка - химическая очистка сточных вод путем обработки их реагентами, которые нейтрализуют загрязняющие вещества и переводят их в нетоксичную или малорастворимую форму. 3. Биохимическая очистка. Аэробная биохимическая очистка заключается в минерализации органических веществ промышленных или бытовых стоков окислением их в присутствии аэробных микроорганизмов (минерализаторов). При этом микроорганизмы используют загрязняющие воду вещества в качестве продуктов питания. Процесс очистки проходит в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде кислорода. Чаще всего источником аэробных бактерий служит так называемый активный ил. В основе анаэробной биохимической очистки лежит метановое брожение, осуществляемое в присутствии метанообразующих бактерий. В качестве продуктов брожения получаются газ, состоящий из метана (65%) и СО2 (33%), и осадок, который уплотняют, сушат и затем используют как удобрение или, если есть токсичные примеси, сжигают. Эффективность биохимической очистки на самых современных установках 90% по органическим веществам и лишь 20 - 40% по неорганическим, так как в результате нее практически не снижается солесодержание воды. 4. Обеззараживание воды. Последней стадией подготовки воды для питьевых нужд является ее обеззараживание - уничтожение в ней болезнетворных микроорганизмов с помощью хлора, фтора или озона. Через воду могут распространяться такие страшные инфекционные заболевания, как холера, брюшной тиф, гепатит и т.п. Долгие годы обеззараживание воды осуществляли хлорированием. Однако при взаимодействии хлора с ароматическими соединениями, содержащимися в воде, образуются полихлорированные бифенилы. Окисляясь, они превращаются в| диоксины - яды. Учитывая этот факт, в 80-е гг. во многих странах перешли к обработке воды фтором, однако оказалось, что это не менее вредно, чем хлорирование. В настоящее время наиболее перспективным и безвредным считается обеззараживание воды озоном. 5. Очистка воды от солей (деминерализация воды). Вода питьевого качества должна содержать солей не более 1000 мг в литре, из них: хлоридов не более 350 мг/л и сульфатов не более 500 мг/л. Существует несколько методов деминерализации природных и сточных вод: • дистилляция (выпаривание); при кипячении сточной воды в пар переходит вода и летучие органические вещества, а минеральные и органические соли остаются в кубе. Основной недостаток этого метода - большой расход энергии - 0,080 ГДж/т. По этой причине самые мощные выпарные установки сооружают на предприятиях атомной энергетики, имеющих дешевую тепловую энергию. Например, в г. Шевченко на базе атомного реактора методом дистилляции производят опреснение морской воды; • вымораживание; при кристаллизации воды, содержащей соли, в первую очередь выделяются кристаллы пресного льда. По сравнению с дистилляцией вымораживание имеет энергетические, технологические, конструкционные преимущества; • мембранные методы основаны на свойстве полупроницаемых мембран (синтетические полимерные пленки) избирательно пропускать через себя молекулы воды, но задерживать растворенные в ней соли и органические вещества. К ним относят электродиализ и ультрафильтрацию (обратный осмос). Электродиализ - метод деминерализации и концентрирования растворов, основанный на направленном переносе ионов солей в поле постоянного тока через полупроницаемую мембрану. За рубежом этот метод получил широкое распространение для обессиливания морской воды. Например, в Ливии функционирует установка производительностью 20 тыс. м3/сутки, в США - 400 тыс. м3/сутки. Метод обратного осмоса базируется на очистке водных растворов путем их фильтрации через полупроницаемую мембрану под давлением 6-8 МПа. Процесс характеризуется относительно небольшими затратами энергии. За рубежом освоено производство подобных установок производительностью до 1 тыс. м3/сутки; - ионный обмен основан на избирательном поглощении ионов, содержащихся в воде, в слое ионита и является основным для приготовления глубоко обессоленной воды для АЭС и ТЭС с котлами сверхвысокого и критического давления. Кроме того, он используется в воодооборотных циклах на предприятиях для концентрирования и извлечения из сточных вод ценных компонентов (например, ионов тяжелых металлов). Широкое применение этот метод нашел и в практике смягчения воды, т. е. избавления ее от солей постоянной жесткости. 6. Удаление остаточных органических веществ. После очистки в сточных водах могут остаться органические вещества. Лучший способ их удаления - адсорбция активированным углем. Для этого воду пропускают через колонки с активированным углем (время контакта 20 - 40 мин). Адсорбция эффективна для большинства органических соединений и используется для очистки бытовых стоков от жидких отходов перегонки нефти, фенолов и других ароматических соединений. Метод позволяет очистить сточные воды до биологической потребности в кислороде менее или равно 1 мг О2/л (меньше нормы по ГОСТ). 1.2. Охрана атмосферы Для защиты воздушного бассейна от негативного антропогенного воздействия в виде загрязнения вредными веществами используют: • экологизацию технологических процессов; • очистку газовых выбросов от вредных примесей; • рассеивание газовых выбросов в атмосферу; • устройство санитарно-защитных зон, архитектурно-планировочные решения и др. Наиболее радикальная мера охраны атмосферы от загрязнения -экологизация технологических процессов и в первую очередь создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в воздух загрязняющих веществ. Для уменьшения загрязнения атмосферы автомобильными выхлопами ученые ведут исследования по созданию экологически "чистых" видов транспорта. В частности, делаются попытки замены бензина более "чистым" топливом - метанолом (метиловый спирт), водородом и т.п., а также замены карбюраторных двигателей дизельными, газотурбинными и т.д. К сожалению, нынешний уровень развития экологизации технологических процессов недостаточен для полного предотвращения выбросов токсических веществ в атмосферу. Поэтому на предприятиях повсеместно используются различные методы очистки газовых выбросов от токсичных веществ и аэрозольных частиц. 1.2.1. Основные загрязнители атмосферы Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, негативно влияющих на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем. Оно может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным). Естественное вызвано природными процессами. Сюда относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров и др. антропогенное - выбросы в атмосферу различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своему объему оно зачастую превосходит природное загрязнение. В зависимости от масштабов распространения выделяют местное, региональное и глобальное типы загрязнений атмосферы. Первое характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.); при втором в сферу негативное воздействия вовлекаются значительные пространства, но не планета; третье связано с изменением состояния атмосферы в целом. По агрегатному состоянию выбросы веществ в атмосферу классифицируются на: газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.); жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.); твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, пыль, сажа, смолистые вещества и прочие). Главные загрязнители воздуха (поллютанты) образуются в процессе производственной и иной деятельности человека; это диоксеры (SO2), оксид углерода (СО) и твердые частицы; на их долю приходится около 98% от общего объема выбросов вредных веществ атмосферу. Суммарный мировой выброс в атмосферу этих загрязнителей составил в 1990 г. - 401 млн. тонн (в России - 26,2 млн. тонн). Помимо них, в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ. Другой формой загрязнения атмосферы является локальное избыточное поступление тепла от антропогенных источников. Признаком этого являются так называемые термические зоны, например, "остров тепла" в городах, потепление водоемов и т.п. В целом, если судить по официальным данным за 1999 - 2002 гг., уровень загрязнения атмосферного воздуха в городах России остается высоким, несмотря на значительный спад производства. Это объясняют, прежде всего, увеличением количества автомобилей, в том числе неисправных и подержанных. В настоящее время в основном загрязняют атмосферный воздух на территории России такие предприятия, как тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные и др., по производству черной и цветной металлургии, стройматериалов, по нефтедобыче и нефтехимии, автотранспорт. В развитых промышленных странах Запада, например, основное количество выбросов вредных веществ приходится на автотранспорт (50 - 60%), тогда как на долю теплоэнергетики значительно меньше, всего 16 - 20%. Тепловые электростанции. Котельные установки. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выбрасывается дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. При переводе установок на жидкое топливо (мазут) снижаются выбросы золы, но практически не уменьшаются выбросы оксидов серы и азота. Наиболее чистым является газовое топливо, которое загрязняет атмосферный воздух в три раза меньше, чем мазут и в пять раз меньше, чем уголь. Крупный источник энергетического загрязнения атмосферы - отопительная система жилищ (котельные установки) - выделяет продукты неполного сгорания. Из-за небольшой высоты дымовых труб токсичные вещества в высоких концентрациях рассеиваются вблизи котельных установок. Черная и цветная металлургия. При выплавке одной тонны стали в атмосферу попадает 0,04 тонн твердых частиц, 0,03 тонн оксидов серы и до 0,05 тонн оксида углерода. Заводы цветной металлургии сбрасывают в атмосферу соединения марганца, свинца, фосфора, мышьяка, пары ртути, парогазовые смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бензола, аммиака и других токсичных веществ. Химическое производство. Выбросы предприятий данной отрасли невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее ввиду своей весьма высокой токсичности, разнообразия и концентрированности представляют значительную угрозу для всей биоты. Атмосферный воздух загрязняется оксидами серы, соединениями фтора, аммиаком, нитрозными газами (смесь оксидов азота), хлористыми соединениями, сероводородом, неорганической пылью и т, д. Выбросы автотранспорта. В мире насчитывается несколько сотен миллионов автомобилей, которые, сжигая огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняют атмосферный воздух (особенно крупных городов). Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (в большей степени карбюраторных) содержат такие токсичные соединения, как бенз(а)пирен, альдегиды, оксиды азота и углерода и соединения свинца (в случае применения этилированного бензина). Правильная регулировка топливной системы автомобилей позволяет снизить количество вредных веществ в 1,5 раза, а специальные нейтрализаторы (каталитические дожигатели) - уменьшить токсичность выхлопных газов в 6 и более раз. Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха происходит также при добыче и переработке сырья на нефте- и газоперерабатывающих заводах, при выбросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах (терриконах) и т. д. В сельских районах очагами загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мяса, распыление пестицидов и т.д. 1.2.2. Физико-химические методы очистки воздуха Наиболее распространены адсорбционные, абсорбционные и каталитические методы очистки газов. Санитарная очистка промышленных газов включает в себя очистку от СО2, СО, оксидов азота, SO2 и от взвешенных частиц. Очистка газов от СО2: а) абсорбция (поглощение) водой, растворами этаноламинов и холодным метанолом; б) поглощение цеолитами. Углекислый газ избирательно поглощается цеолитами (молекулярные сита), поэтому их используют для извлечения СО2 из природного газа и удаления продуктов жизнедеятельности человека (влаги и СО2) в современных экологически изолированных системах (космические корабли, подводные лодки и т.д.). Очистка газов от СО: а) дожигание на катализаторах; б) конверсия водяным паром: СО + Н2О→СО2 + Н2. Очистка газов от оксидов азота: а) окислительные методы очистки основаны на реакции окисления оксидов азота с последующим поглощением их водой с образованием HNO3; б) восстановительные каталитические методы очистки основаны на восстановлении оксидов азота до нейтральных продуктов в присутствии катализаторов или под действием высоких температур в присутствии восстановителей; в) сорбционные методы очистки включают абсорбцию оксидов азота водными растворами щелочей и известью, адсорбцию оксидов азота твердыми сорбентами (уголь, торф, силикагели, цеолиты и т.д.). Очистка газов от SO2 осуществляется аммиачным, нейтрализационным и каталитическим методами [3]. Очистка газов от взвешенных частиц (пыли) происходит с помощью специальных фильтров (фильтры Петрянова), скрубберов, циклонов и т.д. 1.3. Охрана литосферы Защита литосферы включает в себя защиту почв от деградации и потерь в результате водной и ветровой эрозии, заболачивания, засоления, загрязнения, необоснованного изъятия их из сельскохозяйственного оборота и т.п. В понятие "охрана литосферы" входит также утилизация отходов, охрана и рациональное использование недр, рекультивация нарушенных территорий, защита массивов горных пород и т.п. 1.3.1. Твердые отходы и методы их утилизации Основные виды загрязнения литосферы - твердые бытовые и промышленные отходы. На одного жителя в городе в среднем приходится в год примерно по 1 тонне твердых отходов, причем этот показатель ежегодно растет. Рассмотрим основные методы охраны окружающей среды от твердых бытовых и промышленных отходов, но прежде познакомимся с такими основными понятиями, как: утилизация отходов (от лат. utilis — полезный) - вовлечение отходов в новые технологические циклы и дальнейшее их хозяйственное использование, утилизация промышленных отходов - их использование в качестве вторичного сырья, топлива, удобрений и т.п.; реутилизация - повторная, иногда многократно-последовательная переработка образовавшихся ранее отходов; захоронение отходов - помещение их под землю в специально созданные выемки, брошенные угольные шахты и др. в целях исключения возможности их дальнейшего использования и предотвращения попадания загрязняющих веществ в окружающую среду; детоксикация (обезвреживание) отходов - освобождение их от вредных (токсичных) компонентов на специализированных установках. В настоящее время и по масштабам накопления, и по степени негативного воздействия на окружающую среду экологической проблемой века стали твердые отходы. Поэтому их сбор, удаление, детоксикация, переработка и утилизация - одна из главнейших задач инженерной защиты окружающей природной среды. Важна защита среды обитания и от обычных, т.е. нетоксичных отходов. На урбанизированных территориях размещение отходов уже сейчас имеет первостепенное значение среди экологических проблем. Решение этого вопроса регламентируется Законом Российской Федерации «Об охране окружающей среды» и находит отражение в Федеральной целевой комплексной программе "Экологическая безопасность России (1993-1995)». Рассмотрим, как в современный период осуществляют защиту окружающей среды от твердых бытовых и промышленных отходов, а также от радиоактивных и диоксинсодержащих отходов. В отечественной и мировой практике наибольшее распространение получили следующие методы переработки твердых бытовых отходов (ТБО): • строительство полигонов для захоронения и их частичной переработки; • уничтожение на мусоросжигающих заводах; • компостирование (с получением ценного азотного удобрения или биотоплива); • ферментация (получение биогаза из животноводческих стоков и др.); • предварительная сортировка, утилизация и реутилизация ценных компонентов; • пиролиз (высокомолекулярный нагрев без доступа воздуха) ТБО при температуре 1700 ºС. По оценке ряда специалистов, на данной стадии развития производства, которое в целом характеризуется преобладанием ресурсопотребляющих технологий и огромным накоплением отходов, наиболее приемлемым методом следует признать строительство полигонов для организованного и санкционированного хранения отходов и частичной их переработки (в основном методом прямого сжигания). Конструктивные схемы допускают высоту таких полигонов до 60 м и послойное его заполнение с помощью бульдозеров, для чего устраивают пологий внешний откос. При определенных условиях (инертность, слабая токсичность) совместно с ТБО могут складироваться и промышленные отходы. Особое внимание обращают на гидроизоляцию полигонов, чтобы исключить попадание загрязняющих веществ в подземные воды. Срок полного обезвреживания отходов - 50 -100 лет. Один из перспективных методов переработки твердых бытовых пищевых отходов - их компостирование с аэробным окислением органического вещества. Полученный компост используют в сельском хозяйстве, а некомпостируемые бытовые отходы поступают в специальные печи, где термически разлагаются и превращаются в разные ценные продукты. Другой метод переработки ТБО - уничтожение их на мусоросжигающих заводах. На сегодняшний день в России работает лишь небольшое число таких заводов (Москва-2, Владивосток, Сочи, Пятигорск, Мурманск и др.). Спекание отходов в них происходит при температуре 800 - 850ºС. Вторая стадия газовой очистки отсутствует," поэтому в золе отработанных отходов отмечается повышенная концентрация диоксинов (0,9 мкг/кг и более). С каждого кубометра сжигаемых отходов в атмосферу выбрасывается 3 кг ингредиентов (пыль, сажа, газы) и остается 23 кг золы. На зарубежных мусоросжигающих заводах реализуется более экологичная двустадийная очистка отходящих газов; регламентируется очистка более десяти вредных компонентов, включая дибензодиоксин и дибензофураны {на отечественных заводах - четыре компонента). Режим сжигания предусматривает разложение отходов, в том числе образующихся из пластмасс диоксинов при температуре 900 - 1000'С. До сжигания в обязательном порядке (в США, например, это устанавливается законом) проводится предварительная сортировка твердых отходов, что на порядок снижает содержание вредных веществ в газах и шлаках. На заводах по пиролизу ТБО при температуре 1700°С практически утилизируются все материальные и энергетические компоненты, что резко снижает загрязнение окружающей среды. Однако технологический процесс очень трудоемкий, по существу, завод по пиролизу - это доменная печь. К новейшим отечественным разработкам относится технология комплексной переработки ТБО, предложенная НИИ ресурсосбережения. Она предусматривает предварительную механизированную сортировку ТБО (извлечение черных и цветных металлов, выделение части балластных компонентов - стеклобоя, бытовых электробатареек, выделение текстильных компонентов и др. для последующего их использования или ликвидации), Термообработка обогащенной и подсушенной фракции мусора осуществляется при температуре до 1000°С, обогащенные шлаки перерабатываются и сжигаются в камни строительного назначения, предусматривается двустадийная современная газоочистка, Мусороперерабатывающий завод нового типа, функционирующий по данной комбинированной технологии, дает всего 15 % отходов. И все же следует подчеркнуть, что и у нас в стране, и за рубежом основная масса ТБО из-за нехватки полигонов вывозится в пригородные зоны и выбрасывается на свалки. Экологическое состояние свалок явно неудовлетворительное: отходы на них разлагаются, часто загораются и отравляют воздух токсичными веществами, а дождевые и талые воды, просачиваясь через толщу горных пород, загрязняют грунтовые воды. Законом Российской Федерации об охране окружающей среды предусмотрено, чтобы складирование и захоронение отходов производить в местах, определяемых решением органов местного самоуправления по согласованию (а потенциально опасных и особо токсичных отходов по разрешению) специально уполномоченных на то государственных органов в области охраны окружающей природной среды. Основное направление ликвидации и переработки твердых промышленных отходов - захоронение их на полигонах, сжигание, в частности, методом пиролиза и складирование в поверхностных хранилищах (шламонакопители, хвостохранилища и др.). Токсичные твердые промышленные отходы обезвреживают на специальных полигонах и сооружениях, Для предотвращения загрязнения почв и подземных вод их отверждают цементом, жидким стеклом, битумом, обрабатывают полимерными вяжущими веществами ит.д. Земельные участки для захоронения выбирают с соблюдением "Санитарных правил о порядке накопления, транспортировки, обезвреживания и захоронения токсичных промышленных отходов" и СНиП 2.01.28-85 "Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов". Полигоны запрещено размещать в сильно заболоченных местах, на территориях зеленых зон городов, в зонах санитарной охраны курортов, питания подземных источников питьевой воды, активного карста, оползней, селевых потоков, снежных лавин. В случае особо токсичных промышленных отходов их захоронение производят на предназначенных для этого полигонах в котлованах глубиной до 12 м в специальной таре и рабочих железобетонных емкостях. В стратегическом плане, по мнению многих ученых и специалистов, проблема отходов должна решаться на месте их образования путем внедрения ресурсовозобновляющих технологий, обеспечивающих минимизацию промышленных выбросов и выхода отходов. Концепция ресурсовозобновляющих технологий впервые была предложена еще в 60-х гг. Планируется создать экозащитные системы нового поколения- многопрофильные комбинаты ("Экополигон"), способные совместно перерабатывать все виды антропогенных отходов данного города и региона. При этом более 80% отходов превращаются во вторичные ресурсы и биосферные вещества, восстанавливается качество окружающей природной среды путем санирования (оздоровления) старых свалок и других мер. По мнению авторов, данный вариант решения проблемы отходов, в основе которого лежит теория трофоэнергетического функционирования экосистем и круговорота веществ, позволяет: • использовать экологически безопасные технологические процессы; • исключить прямое сжигание органических веществ; • обеспечить совместимость конечных продуктов с биосферой и включение их в круговорот веществ в природе; • перекрыть затраты и издержки производства за счет реализации вторичных ресурсов, отдельных видов промышленной продукции, платы за отходы, предотвращения ущерба окружающей природной среде. Очень сложной и пока еще не решенной проблемой является обезвреживание и захоронение радиоактивных и диоксинсодержащих отходов. Общепризнанно: избавление человечества от них - один из самых острых экологических моментов. Наиболее разработанными методами утилизации муниципальных радиоактивных отходов, т.е. отходов, не связанных с деятельностью АЭС и военно-промышленного комплекса, являются цементирование, остекловывание, битуминирование, сжигание в керамических камерах и последующее перемещение продуктов переработки в особые хранилища ("могильники"). На специальных комбинатах и пунктах захоронения радиоактивные отходы сжимают до минимальных размеров в прессовочной камере. Полученные брикеты помещают в пластиковые бочки, заливают цементным раствором и отправляют в хранилища ("могильники"), врытые в землю на глубину 5 - 10 м. По другой технологии их сжигают, превращают в пепел (золу), упаковывают в бочки, цементируют и отправляют в хранилища. Всего в России действуют около 20 спецкомбинатов и пунктов захоронения муниципальных отходов. Один из них - НПО "Радон", расположенный в 100 км от Москвы, перерабатывает ежегодно 3000 м3 твердых и 350 м3 жидких радиоактивных отходов. Тем не менее практически все существующие способы утилизации и захоронения радиоактивных отходов кардинально не решают проблему, и не видно приемлемых путей их исхода. Особенно это касается отходов АЭС и ядерных военных производств и в первую очередь тех из них, которые относят к категории особо опасных (высокоактивных). По некоторым сведениям, их накопилось в мире более 1200 тонн и объем ежегодно увеличивается. Разработан метод захоронения особо опасных радиоактивных отходов в подземные емкости различных геологических формаций (массивы каменной соли, скальных грунтов и др.) на глубину не менее 600 м. Однако он не является экологически безопасным, и ученые ищут другие, более надежные способы. Особое место в охране литосферы занимает утилизация опасных диоксинсодержащих отходов. Запрещено использование нескольких десятков диоксинсодержащих веществ, а также низкотемпературное сжигание мусора. Для этого меняются технологии, например, производства бумаги, внедряется повсеместный строжайший контроль за содержанием диоксинов в промышленной продукции, отходах и продуктах. Для борьбы с диоксинсодержащими отходами в нашей стране важное значение имело принятие летом 1993 г. проекта первого этапа федеральной программы "Защита окружающей природной среды и населения от диоксинов и диоксиноподобных токсикантов". В настоящее время в Российской Федерации утверждена норма предельно допустимых концентраций для диоксинов - 0,5 пг/м3. Разработаны и внедрены (на водопроводах Уфы и Москвы) технологии очистки воды от диоксинов сорбцией на гранулированных активных углях. Борьба с диоксинами осложняется отсутствием в достаточном количестве современной аналитической аппаратуры, малым числом специальных лабораторий, недостаточной квалификацией персонала, высокой стоимостью приборов зарубежных фирм и т.д. 1.3.2. Восстановление земель после техногенных нарушений Основное мероприятие по восстановлению земель после техногенных нарушений - их рекультивация - комплекс работ, проводимых с целью восстановления нарушенных территорий и приведения земельных участков в состояние безопасности. Нарушение территории происходит в основном при открытой разработке месторождений полезных ископаемых, а также в процессе строительства. В таком случае земли теряют первоначальную ценность и отрицательно влияют на окружающую природную среду. Объекты рекультивации: карьерные выемки, провальные воронки, терриконы, отвалы и другие карьерно-отвальные комплексы; земли, нарушенные при строительных работах, а также в результате загрязнения их жидкими и газообразными отходами (нефтезагрязненные земли, газогенные пустыни и др.); территории полигонов твердых отходов. Рекультивацию (восстановление) осуществляют последовательно, поэтапно. Различают техническую, биологическую и строительную рекультивации. Техническая рекультивация - предварительная подготовка нарушенных территорий для различных видов использования. В состав работ входят: планировка поверхности, снятие, транспортировка и нанесение плодородных почв на рекультивируемые земли, формирование откосов выемок, подготовка участков для освоения и т.п. На данном этапе рекультивации засыпают карьерные, строительные и другие выемки, в глубоких карьерах устраивают водоемы, полностью или частично разбирают терриконы, отвалы, закладывают "пустыми" породами выработанные подземные пространства. После завершения процесса осадки поверхность земли выравнивают. Биологическая рекультивация проводится после технической для создания растительного покрова на подготовленных участках. С ее помощью восстанавливают продуктивность нарушенных земель, формируют зеленый ландшафт, создают условия для обитания животных, растений, микроорганизмов, укрепляют насыпные грунты, предохраняя их от водной и ветровой эрозии, создают сенокосно-пастбищные угодья и т. д. Работы по биологической рекультивации ведут на основе знания развития сукцессионных процессов. При благоприятных условиях рекультивацию нарушенных земель осуществляют не по всем этапам, а выбирают какое-либо одно преимущественное направление: водохозяйственное, рекреационное и др. (см. табл.1). Например, на территориях, подверженных воздействию газодымовых выбросов от промышленных предприятий, рекомендуется санитарно-гигиеническое направление рекультивации с использованием газоустойчивых растений. Таблица 1 Использование рекультивированных земель в зависимости от направления рекультивации Направление рекультивации Вид использования рекультивированных земель Лесохозяйствсн-ное Лесопитомники, лесонасаждения общего хозяйственного и полезащитного направления Сельскохозяйст-венное Сенокосы, пастбища, многолетние насаждения, пашни, садовые участки Водохозяйствен­ное Водоемы различного назначения, включая рыбоводческие Рекреационное Водоемы для оздоровительных целей, зоны отдыха, гуристические базы и спортивные сооружения Санитарно- гигиеническое Насаждение газоустойчивых растений, участки, законсервированные или закрепленные техническими средствами Строительное Здания, сооружения и другие объекты промышленно -гражданского и иного назначения. Размещение отвалов производства Очень сложно рекультивировать земли, загрязненные нефтью, так как они имеют обедненную биоту и содержат канцерогенные углеводороды типа бенз(а)пирена. Здесь необходимы рыхление и аэрация почвы, использование бактерий, потребляющих нефть, посев специально подобранных трав и др. При необходимости выполняют также строительный этап рекультивации, в ходе которого на подготовленных территориях возводят здания, сооружения и другие объекты. Работы по рекультивации нарушенных территорий проходят в соответствии с нормативно-инструктивными материалами и ГОСТ. Например, действует ГОСТ 17.5.3.04-83. "Охрана природы. Земли. Общие требования к рекультивации земель". Сегодня уже нельзя ограничиться только восстановлением нарушенного массива, плодородия земель, созданием растительного покрова, а важно восстанавливать и все другие компоненты природной среды. Необходима комплексная рекультивация, а точнее рекультивация природной среды. 1.3.1 Особо охраняемые природные территории Особо охраняемые природные территории - это участки суши или водной поверхности, которые в силу своего природоохранного и иного значения полностью или частично изъяты из хозяйственного пользования и для которых установлен режим особой охраны. Закон о них был принят Государственной Думой 15 февраля 1995 г., он предназначен для поддержания экологического баланса, сохранения генетического многообразия природных ресурсов, наиболее полного отражения биогеоценотического разнообразия биомов страны, изучения эволюции экосистем и влияния на них антропогенных факторов, а также для решения различных хозяйственных и социальных задач. Различают следующие категории особо охраняемых природных территорий. Государственные природные заповедники - участки территории, которые полностью изъяты из обычного хозяйственного использования с целью сохранения в естественном состоянии природного комплекса. В основу природно-заповедного дела положены основные принципы: • создание как в своеобразных "эталонах" природы условий, необходимых для сохранения и развития всех видов животных и растений; • поддержание экологического равновесия ландшафтов путем охраны природных экосистем; • возможность изучения эволюции природных экосистем, как в региональном, так и в более широком биогеографическом плане; решение многих аутэкологических и синэкологических вопросов; • сеть заповедных объектов должна отображать широтно-меридиональные, а в горных регионах - высотные закономерности распространения экосистем; • включение в сферу деятельности заповедников социально- экономических вопросов, связанных с удовлетворением рекреационных, краеведческих и иных нужд населения. Заповедники рассматривают и как природные комплексы, изъятые из хозяйственного оборота, и как научно-исследовательские учреждения, выполняющие научные, охранительные, культурно-просветительские и иные функции. В 2001 г. в России насчитывалось 100 заповедников. Самые крупные- Таймырский и Усть-Ленский, площадь каждого из них превышает 1,5 млн. га. Уникальны по разнообразию растительного и животного мира нетронутые человеком уголки природы в Тебердинском, Алтайском, Кроноцком (Камчатка), Воронежском и других заповедниках нашей страны. Для сглаживания влияния прилегающих территорий, особенно в зонах с хорошо развитой инфраструктурой, вокруг заповедников создают охранные зоны, в которых хозяйственная деятельность ограничена. Биосферные заповедники. Такой статус присвоен ЮНЕСКО некоторым из российских заповедников. В 2001 г. в России насчитывалось 100 государственных природных заповедников, 25 из них биосферные, которые используются в качестве фонового заповедно-эталонного объекта при изучении биосферных процессов. Согласно статистическим данным, на конец сентября 2001 г. всемирная сеть включает 411 биосферных территорий в 94 странах мира. Природные национальные парки - одна из новых форм охраны и использования природных экосистем. Это относительно большие природные территории и акватории, где акцент делается на такие моменты: экологический (поддержание экологического баланса и сохранение природных экосистем), рекреационный (регулируемый туризм и отдых людей) и научный (разработка и внедрение методов сохранения природного комплекса в условиях массового допуска посетителей). В национальных парках есть и зоны хозяйственного использования. К самым известным природным национальным паркам в России относятся "Лосиный остров" (район г. Москвы), "Сочинский", "Приэльбрусье", "Валдайский", "Русский Север" и др. Природные парки - территории, отличающиеся особой экологической и эстетической ценностью, с относительно мягким охранным режимом и используемые преимущественно для организованного отдыха населения. Это некоммерческие организации, финансируемые за счет бюджетных средств. По своей структуре они более просты, чем национальные природные парки. Самый крупный природный парк в России - "Русский лес" в Подмосковье. Известен также природный парк "Тургояк': в Челябинской области на берегу озера Тургояк. Заказники - территории, созданные на определенный срок (в ряде случаев постоянно) для сохранения или восстановления природных комплексов или их компонентов и поддержания экологического баланса. По состоянию на 1 октября 1997 г. в России насчитывалось более 1600 государственных природных заказников общей площадью свыше 60 млн. гектаров. В них уделяют внимание плотности популяций одного или нескольких видов животных или растений, а также природным ландшафтам, водным объектом и др. Существуют ландшафтные, лесные, ихтиологические, орнитологические и другие типы заказников. Например, в Тихвинском районе Ленинградской области расположен заказник "Венский лес", где под особую охрану взяты девственные ельники, в то же время охота и туризм не запрещены. После восстановления плотности популяции видов животных и растений, природного ландшафта и т. д. заказники закрываются. Памятники природы - уникальные природные объекты, имеющие научную, экологическую, культурную и эстетическую ценность. Это пещеры, небольшие урочища, вековые деревья, скалы, водопады и др. Иногда для сохранения ценнейших памятников природы вокруг них создаются специальные заповедники. Например, для сохранения красивейшего каскадного водопада Кивач на р. Суне (Карелия) создан заповедник ''Кивач" площадью 102 км2. На территории, где расположены памятники природы, а их в России около 8 тысяч, запрещена любая деятельность, угрожающая их сохранности. Дендрологические парки и ботанические сады - коллекции деревьев и кустарников, созданные человеком для того, чтобы не утратить биоразнообразия и обогатить растительный мир, а также в научных, учебных и культурно-просветительных целях. Здесь проводят работы по интродукции и акклиматизации новых для данного региона растений. Режим особо охраняемых природных территорий соблюдается в соответствии с законодательством Российской Федерации. За его нарушение установлена административная и уголовная ответственность. Проведенные научные исследования и накопленный мировой опыт использования особо охраняемых территорий (этой эффективной формы сохранения природных экосистем) свидетельствуют о необходимости значительного увеличения их площади в нашей стране в ближайшие десятилетия. 1.4. Основы рационального природопользования 1.4.1. Основные понятия Природопользование - непосредственное или косвенное воздействие человека на окружающую среду в процессе всей его деятельности. Рациональное природопользование - планомерное, научно обоснованное преобразование окружающей среды по мере совершенствования материального производства на основе комплексного использования невозобновимых ресурсов в цикле: производство - потребление - вторичные ресурсы при условии сохранения и воспроизводства возобновимых природных ресурсов. Изучение процессов, протекающих в биосфере, и влияния на них хозяйственной деятельности человека показывает, что создание экологически безотходных и малоотходных производств может уже предотвратить оскудение природных ресурсов и деградацию природной среды. Хозяйственная деятельность людей должна строиться по принципу природных экосистем, которые экономно расходуют вещество и энергию и в которых отходы одних организмов служат средой обитания для других, т. е. осуществляется замкнутый кругооборот. Казалось бы, сегодня всем ясно, что время "покорения природы" безвозвратно прошло, и начался период глубокого, заинтересованного познания ее законов. Однако на практике объемы отходов в стране растут в два-три раза быстрее, чем объем производства и численность населения. Лавина отходов загрязняет природу, их вредные токсичные компоненты отравляют землю, воздух, реки, моря и озера. Причина кроется в сиюминутной выгоде для производства. Но разумный человек не должен считать выгодой уничтожение всего живого, "безумное прожигание" ресурсов не только своих, но и принадлежащих будущим поколениям. Следовательно, пришло время коренным образом изменить сам подход к понятию выгодности, когда речь идет о природопользовании. Исходя из сказанного, можно сформулировать общее определение рационального природопользования - это система взаимодействия общества и природы, построенная на основе научных законов и в наибольшей степени отвечающая задачам как развития производства, так и сохранения биосферы. Главный принцип рационального природопользования - "используй, охраняя, и охраняй, используя". 1.4.2. Безотходные и малоотходные производства Термин "безотходная технология" впервые был предложен российскими учеными Н.Н. Семеновым и И.В. Петряновым-Соколовым в 1972 г. (в ряде стран Западной Европы вместо терминов "мало- и безотходная технология" применяется "чистая или более чистая технология" ("pure or more pure technology")). 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. В определении безотходной технологии подразумевается не только производственный процесс. Это понятие затрагивает и конечную продукцию, которая должна характеризоваться: • долгим сроком службы изделий; • возможностью многократного использования; • простотой ремонта; • легкостью возвращения в производственный цикл или перевода в экологически безвредную форму после выхода из строя. Теория безотходных технологических процессов в рамках основных законов природопользования базируется на двух предпосылках: 1) исходные природные ресурсы должны добываться один раз для всех возможных продуктов; 2) создаваемые продукты после использования по прямому назначению должны относительно легко превращаться в исходные элементы нового производства. Схема такого процесса: спрос - готовый продукт- сырье. Но каждый этап данной схемы требует затрат энергии, производство которой связано с потреблением природных ресурсов вне замкнутой системы. Вторым препятствием полной замкнутости процесса является износ материалов, их рассеивание в окружающей среде. Например, долгое, на протяжении многих столетий, использование таких металлов, как серебро, свинец, цинк, медь и др., и их рассеивание в процессе применения привели к тому, что сроки их добывания из земных недр составляют, согласно своду международных прогнозов "Мир в 2000 году", всего 10-20 лет. Понятие безотходной технологии условно. Под ним понимается теоретический предел или предельная модель производства, которая в большинстве случаев может быть реализована не в полной мере, а лишь частично (отсюда малоотходная технология). Но с развитием современных наукоемких технологий безотходная технология должна быть реализована все с большим приближением к идеальной модели. Критики концепции безотходного производства, ссылаясь на второй закон термодинамики, утверждают, что как энергию нельзя полностью перевести в работу, так и сырье невозможно полностью переработать в продукты производства и потребления. С этим нельзя согласиться, поскольку речь идет, прежде всего, о материи и о Земле как открытой системе, а материю - продукцию - в соответствии с законом сохранения вещества и энергии всегда можно преобразовать снова в соответствующую продукцию. Примерами служат безотходно функционирующие природные экосистемы. Имеется и другая крайность, когда все работы, связанные с охраной окружающей среды от промышленных загрязнений, относят к безотходной и малоотходной технологиям. Необходимо помнить, что оценка степени безотходности производства - очень сложная задача, и единых критериев для всех отраслей промышленности нет. Для точного определения степени безотходности необходимо введение поправки на токсичность отходов. Невозможно сопоставлять только по массе, например, отходы рядового производства и отработанные растворы гальванических цехов. Для сравнительного анализа различных технологических схем однотипных производств, выпускающих продукцию одного и того же вида, на стадии их проектирования вполне может быть использован поправочный коэффициент на токсичность отходов. Для расчета энергетических затрат следует рассматривать энергоемкость продукции с учетом коэффициентов безотходности. Только в этом случае можно получить объективный показатель безотходности рассматриваемого производства. Масштабы загрязнения окружающей среды при производстве электроэнергии на ТЭС часто таковы, что могут свести к минимуму те экологические преимущества, которые удается достичь при совершенствовании основного производства. 1.4.3. Основные принципы организации безотходных производств Основные принципы организации безотходных производств заключаются в комплексном использовании сырья, создании принципиально новых и совершенствовании действующих технологий, формировании замкнутых водо- и газооборотных циклов, кооперировании предприятий и строительстве территориально-производственных комплексов. Комплексное использование сырья. Отходы производства - это неиспользованная или недоиспользованная по тем или иным причинам часть сырья. Поэтому проблема комплексного приложения сырья имеет большое значение как с точки зрения экологии, так и с точки зрения экономики. Необходимость данного процесса диктуется, с одной стороны, все увеличивающимися темпами роста объемов промышленных производств, загрязняющих окружающую среду, а с другой - требованием экономного их расходования, поскольку запасы основного минерального сырья ограничены, а цены на него непрерывно возрастают. Так, с 1996 по 2000 гг. цены почти на все сырьевые материалы выросли более чем в 2 раза. В свою очередь, рост цен ускоряет внедрение и разработку малоотходных и безотходных производств, поскольку расширяются границы их экономической рентабельности. Источниками отходов являются: примеси в сырье, т. е. компоненты, которые не используются в данном процессе для получения готового продукта; неполнота протекания процесса, остаток полезного продукта в сырье; побочные химические реакции, приводящие к образованию неиспользуемых веществ. Рациональное комплексное использование сырья позволяет уменьшить объем недоиспользованных веществ, увеличить ассортимент готовых продуктов, выпускать новые продукты из той части сырья, которая раньше уходила в отходы. Повышение выхода продукта на каждой стадии процесса приводит к уменьшению количества отходов и увеличению комплексного использования сырья. Радикальное средство против протекания побочных реакций - изменение технологии. Создание принципиально новых и совершенствование действующих технологий. В черной металлургии, например, создана новая технологическая схема прямого восстановления железа, позволяющая сократить загрязнение окружающей среды. Формирование замкнутых водо- и газооборотных циклов. На ПО "Тулачермет" при производстве суперфосфатных удобрений организован замкнутый газооборотный цикл, который исключает загрязнение окружающей среды фторидами. Кооперирование предприятий, создание территориально-производственных комплексов. В большинстве случаев отходы одного производства являются сырьем для другого. В связи с этим предлагается сам термин "отходы" заменить на "продукты незавершенного производства". При этом основная задача состоит в изыскании возможностей для применения продуктов незавершенного производства в других отраслях народного хозяйства, которые могли бы строить свою деятельность на них как на вторичных материальных ресурсах. Например, в Бразилии из отходов производства сахарного тростника получают спирт, используемый в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Большая работа проводится в различных странах по созданию так называемых банков отходов, т. е. систематизация отходов различных отраслей промышленности, например, химической, нефтехимической, металлургии. 1.4.4. Безотходное потребление Обычно проблемы экологии и ресурсосбережения связывают с деятельностью предприятий, забывая, что различного рода ресурсы используются и в быту. Объемы потребляемых населением материальных благ весьма значительны. Например, соотношение между потреблением и накоплением в национальном доходе составляет примерно 3/4 : 1/4. Следует также отметить тенденцию опережающего роста объемов отходов потребления по сравнению с отходами промышленности. Пути перехода к "безотходному типу потребления" имеют свои особенности. Одна из них состоит в том, что отрасли, обслуживающие население, наименее "технологичны" в отношении безотходности. Помимо того, что материальные ценности в этих отраслях рассредоточены в соответствии со сложившейся системой расселения по территории всей страны, объемы образующихся отходов у конкретных потребителей весьма незначительны, а сами отходы очень разнородны и многокомпонентны. Положение осложняется тем, что сфера потребления в гораздо меньшей степени, чем сфера производства, поддается экономическому регулированию. Она всегда ориентирована на конкретных людей, живущих в соответствии с многочисленными национальными традициями, особенностями регионов, уровнем культуры и т.д. Таким образом, рациональное использование ресурсов в сфере потребления - трудная задача, и она может быть решена с помощью мер, условно разделяемых на две группы. К первой относятся те, которые предпринимаются в отраслях общественного обслуживания (экономическое регулирование), ко второй - воспитательного характера, направленные на выработку у каждого гражданина сознательного отношения к потребляемым ресурсам (регулирование воспитанием). На практике они имеют комплексный характер, взаимно дополняют друг друга. Внедрение новых технических решений, с помощью которых достигается экономия ресурсов, должно сопровождаться их рекламой и созданием условий для широкого использования. Например, один из наиболее используемых ресурсов для бытовых нужд - питьевая вода. Жилищно-коммунальное хозяйство, наряду с промышленностью и сельским хозяйством, - крупнейший потребитель воды. Специалисты подсчитали, что водопотребление в расчете на одного жителя, пользующегося водопроводом, составляет 200 - 240 л/сутки, а пользующегося образно говоря "ведром" - только 20 - 40 л. Чаще всего потери воды вызваны техническими неполадками, нарушениями эксплуатации водопроводов. Кроме того, много питьевой воды расходуется не по назначению, например на полив зеленых насаждений и т.д. Для рационального водопользования необходимо наладить строгий учет всей расходуемой воды и оперативно устранять технические неполадки в системах водообеспечения.. Все это в полной мере относится и к потреблению других видов ресурсов, в частности топливно-энергетических. Например, потребление электроэнергии на бытовые нужды в последнее время ежегодно увеличивается на 10%, и, как показывает опыт, оно не всегда оправдано. Одним из направлений экономии электрической энергии является массовый выпуск бытовой техники, обеспечивающей рациональное потребление электроэнергии. Например, замена парка бытовых холодильников на более экономичные модели (с усовершенствованной теплоизоляцией, автоматическим оттаиванием) дала возможность снизить потребление электроэнергии. Переход на "зимнее" и "летнее" время, позволяющий эффективней использовать "светлые" часы суток, в целом по народному хозяйству дает экономию около 3 млрд. кВт/ч электроэнергии в год, на 3 - 4 млн. кВт/ч снижает пиковые нагрузки энергосистем. В принятой ООН "Всемирной стратегии охраны природы", в частности, записано: "Мы не унаследовали Землю наших отцов. Мы взяли ее в долг у наших детей". Поэтому именно принцип не брать "взаймы у потомков" должен стать определяющим при принятии всех без исключения решений по вопросам использования природных ресурсов.