3. Технические системы

Если сельское хозяйство призвано удовлетворить потребности человеческого общества в сырьевых продуктах питания и простейших обыденных естественных предметах обихода, то все остальные потребности, исключая духовные, обеспечивают разнообразные типы промышленности, базирующиеся на использовании техногенных систем производства. Сам техногенез может быть определен как совокупность геохимических и геофизических процессов, связанных с деятельностью человечества.

Насколько наши требования к промышленному производству обусловлены текущими естественными потребностями общества и насколько они продиктованы другими, в том числе амбициозными, его запросами?

На рис. 16.5 показан рост промышленного производства на фоне роста численности населения мира, из которого отчетливо видно, что на определенном этапе развития человечества, примерно совпадающим с прошедшим столетием, валовый мировой продукт стал расти исключительно быстрыми темпами, намного превысившими тенденцию роста населения. Социальные оправдания этому ищут в стремлении к общему росту благосостояния человека. Однако, это не совсем так.

Мы уже отмечали, что воздействие промышленности в целом ведет к нарушению геохимического и геофизического балансов Земли и к обширному и разнообразному загрязнению окружающей нас среды.

Это нарушение природного равновесия складывается из факторов:

перемещения вещества, которое превысило масштабы многих геологических процессов - сноса его в виде речного стока, ветровой транспортировки и т.п.;

изменения геохимических балансов естественных процессов;

преобразования геофизических полей Земли, включая гравитационное, магнитное, электрическое, радиационное и пр.;

трансформации биомов;

изменения климата, в том числе его температурного режима;

резкое изменение биологического баланса.

Всем промышленным технологиям, несмотря на их значительное разнообразие, свойственна единообразная общая схема:

1) получение (добыча) природного сырьевого материала, сопровождающаяся той или иной массой производственных отходов;

2) переработка исходного сырья с извлечением из него определенных компонентов (и снова отходы);

3) передача конечного продукта переработки для производства изделий (и вновь отходы);

4) использование конечного продукта производства, с превращением его в конечном итоге в категорию промышленных или бытовых отходов.

Суммарно на каждого жителя Земли приходится более 20 т отходов в год. Существует определение отходов, как ненужного вещества скопившегося не в том месте и не в то время. И это приводит к разнообразным техногенным и бытовым загрязнениям.

Для каждого производства характерен свой спектр загрязняющих веществ. Наиболее грязными современными производствами считаются энергетика, металлургия, химия. Но экологически чистых производств нет и не может быть. И если в любом производстве львиную долю составляют отходы, то технологии производств совершенствуются, прежде всего, с целью получения более чистой продукции и во все большем количестве.

Процесс роста и качественного изменения промышленных загрязнений хорошо отслежен С.А. Паршенковым.

Первобытная металлургия несомненно привела к появлению таких загрязнителей, как газ CO₂, аэрозоли металлов и даже страшной троице металлов - Hg, Pb, Cd. С добычей свинцово-цинковых (полиметаллических) руд в средние века связаны были первые радиоактивные загрязнения. К концу средневековья, помимо бронзы, появляется чугун, что означает и первый опыт утилизации отходов. С появлением в XVIII в. домен и использованием кокса связаны массовые загрязнения органическими соединениями. Паровые машины, как энергетические устройства, являлись источниками разнообразного спектра выбросов. И только со середины XIX в. начинаются попытки более систематической утилизации промышленных отходов, с целью использования их в качестве строительного материала. Разумеется, это еще не забота о чистоте среды, а чисто экономические акции.

Появление примитивного химического производства в Древнем Египте и на Ближнем Востоке определялось потребностями в стекле и мыле.

В 1787 г. Н. Леблан открывает способ приготовления соды из каменной соли (NaCl), что явилось отправной точкой заметных скоплений загрязнений в виде выбросов HCl в воздух и появление крупных содовых отвалов.

Широкому развитию химических производств способствовала текстильная промышленность, где для отбеливания тканей требовался Cl и хлорная известь, а их изготовление сопровождалось большим количеством химических отходов.

В конце XIX в. способ Леблана вытесняется аммиачным способом Э. Сольве. И побочный продукт этого производства - хлористый кальций формирует целые "белые моря", загрязняя не только поверхностные, но и подземные воды.

В конце XIX в. появляется контактный способ получения серной кислоты и растет загрязнение сред сернистым ангидритом.

В связи с приоритетом военных потребностей растут потребности в синтезе аммиака, которые затем послужат в качестве минеральных удобрений в виде суперфосфата, с появлением в виде газовых отходов F. Из отходов химических производств получают фенол, составляющий основу пикриновых взрывчатых веществ, толуол, являющийся основой тротила. Применяемый в качестве пороха пироксилин (нитрат целлюлозы) послужил толчком к развитию целлюлозно-бумажной промышленности.

За получением неорганических веществ последовал химический органический синтез. Для активизации военных действий производится огромное количество отравляющих веществ, а затем на их основе появляются пестициды.

К началу XX в. были созданы все предпосылки для появления нынешних глобальных загрязнений во всех традиционных областях промышленности.

Реализация мечты о полетах в небе приходится на годы Первой мировой войны. Тогда же появляются первые модели ЭВМ. Сверхзвуковые военные самолеты разрушают озоновый слой Земли. Возникающая атомная военная промышленность с трудом переходит на мирные рельсы.

Загрязнение окружающей среды резко возрастает.

Увеличение скорости передвижения, связи и информации вызывают необходимость производства жаропрочных материалов, стойких смазок, присадок и т.п. Требуются инертные соединения. Возникают новые не встречающиеся в природе сложные неординарные соединения и составы.

В атомной энергетике возникает необходимость создания газодиффузных производств по разделению изотопов (в виде фторсодержащих соединений). Вовлекаются в промышленное использование Be, B, Cd, Hf, In, Ag, Gd.

Для термоядерных реакторов в больших масштабах растут потребности в редких элементах - Li, Nb, Be, V. Требуется переработка млрд. т исходного сырья.

Необходимы жидкости с повышенной термоустойчивостью. И появляются удовлетворяющие этим требованиям бифенилы и другие необычайно токсичные вещества.

Современные производства начинают в промышленных масштабах потреблять "чистые" металлы, а это означает резкое увеличение "нечистых" отходов. Среди их побочных продуктов производится чрезвычайно устойчивый токсикогенный диоксин.

На новейших заводах электронной промышленности даже воду нельзя использовать вторично: необходима исключительная чистота производства.

Итак, в рассмотренной цепи производств нет ни одного, которое не сопровождалось бы твердыми, жидкими и газообразными выбросами. Нет и таких, где бы отходы полностью утилизировались в качестве сырья для других производств. Поэтому нельзя создавать и промышленных гигантов, чтобы облегчить задачу использования отходов одного производства другим.

В основе важнейших проблем, связанных с промышленными воздействиями лежат общие тенденции развития техники и технологий, в том числе темпы роста производства. Требуются все новые композиционные материалы, новые их свойства. Это касается и жидкостей и полимеров, и композиционных материалов с высокими технологическими параметрами (термоустойчивостью, высокой энергоемкостью, исключительной чистотой состава и т.п.). При этом абсолютно невозможно изолировать технологии от биосферы, поскольку именно в этом пространстве они и функционируют. Также невозможно и создание безаварийного производства. Несмотря на все ухищрения, нельзя устранить все растущую диспропорцию целевой продукции и образующихся отходов.

В энергетике регенерация топлива представляется бессмысленной (необходимо столько же энергии, сколько ее выделилось при сжигании). В атомной и термоядерной отрасли энергетики часть отходов антиприродна, возникает потребность во все большем использовании редких и токсичных элементов (TR, Li, Nb, Be, V) – и все в весьма значительных количествах). Для развития солнечной энергетики необходимы сверхчувствительные элементы – Si, B, Ge, Ga, Cd, Te, Se.

В новейшей металлургии производство более качественных металлов приводит к возрастанию удельных загрязнений на единицу продукции. При увеличении глубины переработки при комплексном извлечении металлов увеличивается суммарное загрязнение, в том числе за счет перевода многих компонентов из химически устойчивых соединений в их подвижные формы. Гидрометаллургия резко увеличивает выбросы в гидросферу. В алюминиевой промышленности производство металла заключается в производстве глинозема, криолитов, электродов и электроллитическом получении конечного продукта из глинозема. Образуется масса так называемого «красного шлама» и одно из наиболее острых загрязнений фтором. При получении титана основной метод – хлорирование, с соответствующими токсичными загрязнениями. Еще сложнее и многообразнее по продуктам загрязнения редкометалльная металлургия.

В химической промышленности, где производится свыше 50000 наименований продукции, отходы чрезвычайно разнообразны, так же как велики «технологические потери». Даже при рециркуляции воды количество шламов и солей неизбежно увеличивается и их приходиться утилизировать при водоочистке.

В органической синтезной химии велика роль не только конечной продукции, но и полупродуктов, многие из которых очень опасны. При производстве фенола необходимо «рассредоточение» предприятий и т.д.

В целом следует учитывать все большее использование в технологических процессах «высоких параметров» (давления, температур, радиации…), исключительно устойчивых по этим требованиям веществ, ужесточение самих требований; исключить иррациональное потребление продукции; сокращение морального срока использования веществ; предотвратить бесхозяйственность и безответственность; ограничить внедрение в мирное производство особо грязных военных технологий.

С точки зрения геоэкологии, как науки преимущественно о глобальных экологических процессах, нет необходимости рассматривать специфику загрязнений, связанных с тем или иным промышленным производством (это задачи науки о техногенных системах и экологическом риске и близких к ней). Поэтому ограничимся здесь лишь краткими сведениями о наиболее характерных веществах и соединениях, поступающих в частности в атмосферу ( табл. 16.1).

Таблица 16.1

Основные вещества и соединения,

поступающие в атмосферу из главных промышленных источников

Источники	Загрязнители
Горная промышленность	CO2, CO, SO2, SO, H2S, NOx, метан, Н, пыль, углеводороды, альдегиды и др.
Теплоэнергетика	SO2, NOx, CO2, CO, углеводороды, Hg, Pb, As, V, Cl и др.
Металлургия	CO2, CO, NO, SO2, акролеин, углеводороды, SiO2, металлы - пыль (окислы Fe, Mn, Zn, V, Ni и мн. др., F, HC и пр.
Химия	Органические и неорганические химические вещества, SO2, NOx, HC, CO, фреоны, цианиды, одоранты и др.
Машиностроение	Пыль, SO2, CO2, NOx, F, H2S, масляные и сварочные аэрозоли, пары растворителей (бензол, толуол, ксилол, ацетон, углеводороды - бензин, уайт-спирт и др.)
Строительство	CO, CO2, NOx, формальдегид, сажа, соединения Pb, пары растворителей, красители, цемент, асбест, нитроцеллюлозные и полифирные масла
Автотранспорт	CO2, CO, H, NOx, SO, углеводороды, альдегиды, Pb, Cl и др.

Повышение концентраций элементов в ареалах загрязнений сопровождается изменением соотношений входящих в их состав элементов.

Последствия промышленных загрязнений окружающей среды трудно переоценить: это и загрязнения воздуха, воды и почв, и проявления смогов и кислотных дождей, кислотных озер, радиоактивные и прочие вторичные негативные экологические явления.