7.7. Малоотходные и безотходные производства

Перед человечеством встала задача рационального природопользования в сочетании с эффективным снижением отрицательного воздействия промышленного производства на биосферу, то есть применение экологизированных производств. Экологизация производств – это процесс неуклонного и последовательного внедрения систем, в частности, технологических, управленческих решений, позволяющих повышать эффективность использования естественных ресурсов и условий наряду с улучшением или хотя бы сохранением качества природной среды на локальном, региональном и глобальном уровнях. Экологизация технологий (производств) – мероприятия по предотвращению негативного воздействия производственных процессов на природную среду, которая осуществляется разработкой малоотходных (ресурсосберегающих) технологий, аппаратов и оборудования, дающих на выходе минимум вредных выбросов.

Экологизированные технологии – это производственные процессы и производства, которые не нарушают естественный круговорот, сводят до минимума поступление загрязняющих веществ в биосферу и гармонично вписываются в природные условия. В их основу должны быть положены следующие принципы:

1) принцип пространственной компактности: каждое предприятие должно занимать минимально разумную территорию, а его цеха и отделы работать по принципу: создание экологически чистой продукции – ее сбыт – возврат отходов в производство;

2) принцип малоотходности технологий и производств;

3) принцип замкнутости производственных циклов, что позволяет сохранить в чистоте природную среду и уменьшить потребление природных ресурсов;

4) принцип возможности вторичной переработки (рекуперации) отходов до такой степени, чтобы сделать их допустимыми для разложения и включения в естественные круговороты.

Опираясь на основные понятия экологии, можно рассматривать и устанавливать главные способы (методы) разрешения конфликта человека с природой, сохранение высокого качества окружающей среды и здоровья населения. Комплексное решение данной задачи возможно лишь при владении специалистом того или иного производства знаниями в области экологии, позволяющими с позиций охраны окружающей среды обладать экологическим мышлением.

Для кардинального решения проблемы экологии, снижения ресурсоёмкости и энергоёмкости производства необходимо обеспечить кругооборот сырья, утилизировать вторичные ресурсы, полностью использовать всё, что добывается из недр земли и океана, на основе комплексной переработки. Производство необходимо перестроить таким образом, чтобы технологии стали максимально безотходными, экологически чистыми и экономически выгодными. Эти технологии должны заимствовать природные принципы: где отходы одних организмов являются важнейшим ресурсом для других.

При механической переработке древесины отходы составляют более 40 % от общего объема перерабатываемого сырья, ежегодный прирост таких отходов в целом по стране достигает десятки миллионов кубических метров. До 70 % эти отходы не вовлекаются в дальнейший технологический передел, складируются или сжигаются без утилизации тепла, что приводит к увеличению антропогенного загрязнения окружающей природной среды.

Экологически безопасным и экономически целесообразным способом утилизации является получение на их основе древесно-минеральных композиций, которые используются в производстве строительных, тепло- и звукоизолирующих материалов. Известны древесные композиты на основе цемента (фибролит, арболит), каустического магнезита (ксилолит), которые применяются для производства искусственного строительного материала.

Ещё в 30-х годах ХХ столетия академик А.Е. Ферсман, имея в виду идею ресурсных циклов, под комплексным использованием сырья подразумевал такую организацию производства, при которой не пропадал бы ни один грамм добываемой горной массы, не было бы отходов. Пока же формирующиеся циклы представляют собой главным образом стадии последовательной переработки сырья (рис. 7.32).

Рис. 7.32. Схемы технологических процессов переработки сырья в готовую продукцию при безотходном (а), малоотходном (б) и открытом технологических процессах (Маслов, Коробов, 1996)

Такие циклы называют простыми, линейными. Например, связи по вертикали: лесозаготовка – вывозка леса – лесопиление – деревообработка. Данные циклы уже обеспечивают существенный эффект по сравнению с одиночно расположенными (точечными) предприятиями, и в то же время этот результат будет несоизмеримо выше при развитии не только вертикальных, но и горизонтальных связей. Данные связи могут развиваться на каждой стадии цикла, где образуются отходы. На базе этих отходов формируются производства (лесохимии, производство древесно-стружечных плит и др.). Такой цикл называется сложным. При кооперировании и комбинировании сокращаются экономические издержки производства, а главное достигается комплексность использования сырья. Динамика их развития может быть представлена следующим образом (рис. 7.33).

Ресурсные циклы будут постепенно преобразовываться (трансформироваться) на основе тех же принципов, что и естественные циклы – взаимосвязи и замкнутости. Данная организация ресурсных циклов получила название безотходных производств, понимаемых как совокупность технологических процессов, из которых отходы одних используются в качестве сырья для других производств и тем самым обеспечивается их полная утилизация. Реальным же является переход к малоотходным производствам, характеризующимся максимально возможной утилизации выбросов.

Рис. 7. 33. Развитие ресурсного цикла

Так, например, украинскими учёными разработана технология извлечения графита из копоти металлургических заводов; её применение позволяет полностью отказаться от добычи графитовых руд, исключить складирование отходов производства и самое главное улучшить состояние атмосферы.

Одним из методов снижения выбросов СО₂ является связывание его в химические соединения. Наиболее перспективное направление – это получение метанола. В производстве метанола используются СО, СО₂ и Н₂. Таким образом, можно снизить выбросы в атмосферу и повысить степень использования сырья за счёт создания совместных производств метанола и водорода, метанола и аммиака, которые по степени связывания оксидов углерода в метанол делятся на производства с полным или частичным использованием СО и СО₂. Широкое распространение получили на сегодняшний день совместные производства с частичным использованием монооксида и диоксида углерода. Суммарные реакции получения метанола из оксидов углерода и водорода описываются следующими уравнениями:

СО + 2Н₂ = СН₃ОН; СО₂ + 3Н₂ + СН₃ОН + Н₂О.

Благодаря связыванию оксидов СО и СО₂ заметно уменьшается их выброс в атмосферу и дополнительно получается сырьё для производства химических продуктов, в том числе синтетическое топливо для двигателей внутреннего сгорания, которое является менее вредным и более дешёвым.

Нестандартным решением вопроса утилизации ТБО является получение из него водорода с использованием технологии плазменной переработки путём высокотемпературного пиролиза их органической составляющей. Образующийся пиролизный газ содержит до 40 % водорода, 35 % оксида углерода и необходимое количество примесей других углеводородов. Это даёт возможность получать до 150 кг водорода из 1 т ТБО. Так решаются две проблемы: получение экологически чистого топлива и утилизация твердых бытовых отходов.

Серьезной проблемой утилизации для бумажной промышленности является утилизация скопа. Скоп – это волокнистый органический отход при производстве бумаги, осадок первичных отстойников. Эти отходы многотоннажны, оказывают отрицательное влияние на экологию мест складирования и близлежащие территории. Например, ежегодно только на ООО «Пермский картон» образуется не менее 2,5 тыс. т абсолютно сухого скопа. Ученые Пермского государственного технического университета (Б.С. Баталин и И.А. Козлов, 2007) разработали технологию использования его при производстве теплоизоляционных плит на основе цемента, которые применяются в строительстве.

Наиболее рациональным решением проблемы охраны водоёмов от загрязнения сточными водами является создание замкнутых систем водоснабжения и водоотведения для промышленных предприятий, то есть использование очищенных сточных вод в системах оборотного водоснабжения. При этом свежая вода забирается из источников только для питьевых целей. Городские сточные воды также можно использовать на предприятиях разных отраслей после их предварительной очистки. Использование биологически очищенных сточных вод в оборотных системах водоснабжения позволяет частично или полностью отказаться от свежей воды. Доля сточных вод в подпитке оборотных систем водоснабжения может составлять от 50 до 100 %. Замкнутые и оборотные системы водоснабжения – основа бессточных предприятий с локальными очистными установками, повторным использованием сточных вод и рекупераций отходов (рис. 7.34).

Отходы

Производство

Продукция n –й стадии

О

Производство

тходы

ПродукцияII-й стадии

Производство

Продукция I- й стадии

Малоотходная система Безотходная система

Рис. 7.34. Схема малоотходной и безотходной технологических систем

производства

Конечная цель безотходного и малоотходного производства достигается при прохождении нескольких ступеней переработки отходов всех видов. Система малоотходна, если на n-й стадии производства выделяемые отходы незначительно воздействуют на окружающую среду. Система считается безотходной, когда отходы n-й стадии вновь поступают в производство или становятся безвредными.

В 1980-х годах в НПО «Крахмалпродукт» была разработана гидроциклонная технология безотходной переработки картофеля на крахмалопаточных заводах при традиционной технологии выработки крахмала из картофеля. Сырье гидротранспортером подается на моечную линию, оснащенную камне- и соломоловушками, а затем поступает на пильчатую терку. Из полученной кашки на барабанно-струйных ситах четырежды вымывают крахмал. Для сгущения крахмальная суспензия через центрифуги уходит на станцию рафинирования, в сушилки и только потом пропущенный, просеянный конечный продукт расфасовывают. При использовании гидроциклонной технологии после терки картофельная кашка попадает в специальные аппараты-микроциклоны. Поступает она туда под давлением по касательной к внутренней поверхности аппарата, приобретая вращение. Более тяжелые частицы крахмала направляются в одну сторону, а мезга с соком – в другую.

При традиционном методе получения крахмала на кормовые цели используют лишь мезгу (клетчатку), картофельный же сок, содержащий белки, микроэлементы, витамины уходят с водой в водоемы, загрязняя их. При гидроциклонном методе после гидроциклона мезга с соком разваривается и осахаривается с помощью ферментов, происходит частичная коагуляция белка. Затем масса проходит через центрифугу, сушилку, а оставшаяся масса уваривается. В результате получается сухая, обогащенная белками, мезга – ценный корм для животных. Примечательно то, что по традиционной технологии на переработку 1 т картофеля тратится 15 т воды, а при гидроциклонной – 0,5 т. При традиционной технологии в сутки перерабатывается 200 т картофеля, гидроциклонной – 500 т.

Новочеркасский молочный завод, внедрив безотходную углубленную переработку молока, обеспечил полную переработку на промышленных установках не только молока, но и всего сырья, получаемого в процессе производства. Благодаря безотходной технологии, применяемой на заводе, годовая экономия достигла 2000 т цельного молока. На заводе из так называемых отходов – сыворотки, пахты и обезжиренного молока – вырабатывают сыр, творожные пасты, сгущенное молоко с сахаром, ценные порошковые добавки и т.д.

В Башкирии нашла применение безотходная технология сыроделания. На изготовление сыра на сыродельном комбинате ежедневно используют 180 т молока, получая при этом только 15 т сыра, остальная часть 165 т – сыворотка. Сепарирование ее перед сушкой дает в год 60 т дополнительно извлекаемого сливочного масла. Дальнейшие операции на вакуумно-выпарном аппарате превращают мутноватую жидкость в белый порошок. Из 22 кг жидкости получают 1 кг сухого порошка, поступающего затем на различные пищевые цели, – выработку плавленых сыров, мороженного, кондитерских изделий.

По поводу малоотходности хорошо выразился создатель фирмы «Сони» Акио Морито: «На наших островах нет почти никакого сырья, за исключением воды, и более трех четвертей нашей земли непригодно для жизни и для сельского хозяйства. Поэтому мы очень дорожим тем, что имеем. Вот почему мы научились уважать природу, беречь ее, минимизировать технику и технологию и относится к ним как средствам, помогающим нам выжить. Одно из самых важных понятий о ценности, которое мы сохранили с древних времен, это понятие (моот–тай–най). Это понятие означает, все, что есть в мире, – это дар Творца, и мы должны быть благодарны за этот дар и ничего не тратить зря… Стремление произвести товары при минимуме сырья для японцев стало образом жизни, и поэтому пустые траты считаются позором, чуть ли не преступлением».